Transcript "Технологические векторы в энергетике"

Технологические векторы в
энергетике
В.И.Фейгин, Ю.Г.Рыков
Институт Энергетики и финансов
Москва, 20 декабря, 2011
СУТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
РАЗВИТИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ
2
Энергоресурсы
Газ
Нефть
Гидро
Ветер
Уголь
Биомасса
Солнце
Геотермальн.
Уран
Вторичные
Поставки
Газ
Секторы
Потребления
Газойль
Мазут
ЖКХ
Уголь
Услуги
Биомасса
Промышл.
Биотопливо
Биогаз
Частный
Транспорт
Тепло
Общественный
Транспорт
э/э
Сценарий 1
Стратегии
Первичная
Энергия
Выбросы
Население ВВП
Технологическое развитие в энергетике связано со
способами преобразования энергетических ресурсов и
первичной энергии в формы, удобные для потребления
Издержки

3
ТЕНДЕНЦИИ В ЭВОЛЮЦИИ
БАЛАНСОВ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Индикатором общего направления развития энергетики является
структура потребления (энергобаланс) первичной энергии

В современных средне- и долгосрочных прогнозах энергобаланса
наблюдаются несколько характерных тенденций




Сильная озабоченность мирового сообщества проблемой глобального
потепления (из-за промышленных выбросов парниковых газов) и
вследствие этого опережающее развитие ВИЭ
Признание за природным газом роли «переходного» топлива на период
до 2050
Вследствие прогнозируемых высоких цен на нефть и, как следствие, газ
идет постоянный поиск способов эффективной переработки угля
Возможно мир стоит на пороге нового технологического уклада,
который будет характеризоваться более эффективной и утонченной
энергетикой
МИРОВОЙ БАЛАНС ПОТРЕБЛЕНИЯ
ПЕРВИЧНОЙ ЭНЕРГИИ 2030 г., %%
4

Возрастание степени неопределенности отражает
уровень возможности технологического прорыва:
нефть->газ->уголь->атом->ВИЭ
100%
90%
80%
16.8
6.8
70%
11.7
14.0
23.3
5.8
22.2
10.3
13.1
4.9
8.1
16.1
13.4
13.9
6.7
5.5
7.5
22.8
25.6
23.0
23.0
26.2
10.6
6.2
13.2
5.8
22.4
24.2
20.7
29.1
30.4
33.1
28.6
27.3
60%
21.9
50%
40%
30.9
28.1
28.0
31.9
27.0
26.8
26.4
26.8
29.1
Shell-2011
BP-2011
SECURE-BL
26.7
30%
20%
10%
25.5
29.6
29.8
21.3
17.8
0%
IEA-2011-NPS IEA-2011-CPS IEA-2011-450
УГОЛЬ
Coal
IGU-BL
Exxon-2011
НЕФТЬ
Oil
ГАЗ
Gas
АТОМ
Nuclear
ВИЭ
RES
OPEC-2011-BL Factual 2009
(IEA)
МИРОВОЙ БАЛАНС ПОТРЕБЛЕНИЯ
ПЕРВИЧНОЙ ЭНЕРГИИ 2050 г., %%
5
100%
16.2
90%
80%
36.9
16.3
19.1
30.2
9.9
16.3
25.3
8.9
60%
50%
40%
6.5
16.9
17.6
22.6
23.0
4.9
12.3
16.0
19.7
13
РАЗБРОС
5.8
ВИЭ: 16,2 – 36,9
12.5
15.1
12.5
21.9
17.2
23.1
21.2
Атом:4,9– 23,1
12.2
15.9
18.2
22.7
22.8
22.6
19.7
18.8
33.1
20.2
25.2
20%
29.9
Газ: 12,2 – 19,7
20.4
30%
10%
18.2
9.9
11.4
70%
19.1
34.5
34.3
34.3
27.0
33.9
33.7
27
21.1
13.5
14.3
0%
УГОЛЬ
Coal
НЕФТЬ
Oil
ГАЗ
Gas
АТОМ
Nuclear
Нефть: 16 – 25,5
25.5
ВИЭ
RES
Уголь:13,5 – 34,5
6
EU-27 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС В
2020 г., %%
100%
90%
80%
15.3
14.3
13.3
12.5
17.2
11.5
13.0
14.0
15.6
11.8
17.9
9.6
12.7
12.1
8.7
РАЗБРОС
10.6
14.0
ВИЭ: 11,5 – 17,9
25.8
25.2
Атом: 9,6-15,2
11.4
70%
60%
28.0
27.7
25.4
25.7
23.1
26.8
26.9
Газ: 23,1 – 26,8
50%
40%
30%
30.2
30.8
34.4
33.9
35.3
36.4
34.6
20%
10%
Нефть: 30,2 – 36,4
33.3
29.9
Уголь: 10,6 – 17,6
13.1
14.7
12.0
15.8
14.6
17.6
10.6
0%
УГОЛЬ
Coal
НЕФТЬ
Oil
ГАЗ Gas
Natural
АТОМ
Nuclear
Energy
ВИЭ
Renewables
15.2
17.4
7
EU-27 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС В
2030 г., %%
100%
90%
20.2
80%
70%
14.5
17.3
17.4
26.8
8.3
14.8
11.0
13.3
26.4
50%
29.6
10.9
14.1
27.5
25.2
25.8
13.7
24.2
32.6
32.0
28.6
27.2
10%
9.5
32.6
31.9
14.4
7.0
УГОЛЬ
Coal
ВИЭ: 12,5 – 25,8
Атом: 8,3-18,5
34.8
Нефть: 26,2 – 32,6
26.6
24.4
13.6
РАЗБРОС
Газ: 22,4 – 28,6
24.8
30%
0%
9.9
22.4
29.8
40%
20%
24.3
13.0
13.9
16.9
60%
12.5
Oil
НЕФТЬ
ГАЗ
Natural
Gas
14.4
Уголь: 6,9 – 20,1
20.1
АТОМ Energy
Nuclear
9.7
ВИЭ
Renewables
15.9
16.1
ВКЛАД ТЕХНОЛОГИЙ В УМЕНЬШЕНИЕ
ВЫБРОСОВ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ (по миру, МЭА 2010)
8
Энергоэффективная
промышленность;
2010-2030
19%
Переключение на
другое топливо и
сырье в
промышленности;
Промышленность с
CCS и
трансформация
топлив;
4%
2030-2050
Генерация эл.энергии
с CCS; 6%
Ветряная энергия;
7%
Пререключение на
другое топливо и
сырье в
промышленности;
Энергоэффективна
я промышленность;
12%
Промышленность с
CCS и
трансформация
топлив; 5%
Генерация
эл.энергии с CCS;
11%
2%
3%
Ветряная энергия;
6%
Трансформация
топлив; 9%
Трансформация
топлив; 5%
Солнечная энергия;
2%
Водородные
автомобили на
топливных
элементах; 1%
Водородные
автомобили на
топливных
элементах; 3%
Солнечная энергия;
7%
Атомная энергия;
7%
Электрические и
гибридные
автомобили; 2%
Электрические и
гибридные
автомобили; 5%
Атомная энергия;
8%
2-е поколение
биотоплив; 3%
2-е поколение
биотоплив; 1%
Другая генерация;
Эффективное
использование
топлив на
транспорте; 7%
22%
Энергоэффективные
здания; 14%
Эффективное
использование
топлив на
транспорте; 7%
Энергоэффективны
е здания; 12%
Другая генерация;
10%

Большой процент вклада характеризует технологии, которые будут
развиваться в среднесрочной перспективе

Резкое изменение процента вклада характеризует технологии,
которые будут развиваться в долгосрочной перспективе
СПИСОК ТЕХНОЛОГИЙ, ИНТЕНСИВНОЕ РАЗВИТИЕ И
МАСШТАБИРОВАНИЕ КОТОРЫХ ПРЕДПОЛАГАЕТСЯ В
ПЕРСПЕКТИВЕ (по материалам ЕС и МЭА)
9


Атомные технологии находятся вне сферы охвата данного доклада
Среднесрочная перспектива: до 2020-2030 гг.

Энергоэффективность







Промышленные процессы
Здания: теплоизоляция, СНР и тепловые насосы
Экономичное использование топлив на транспорте
Аккумулирование тепла
Водород для СНР
Газогенерация
Ветряная энергетика



Эффективная конструкция ветряков (учет характера воздушных потоков,
турбулентности)
Электрические сети
Аккумулирование электричества
СПИСОК ТЕХНОЛОГИЙ, ИНТЕНСИВНОЕ РАЗВИТИЕ И
МАСШТАБИРОВАНИЕ КОТОРЫХ ПРЕДПОЛАГАЕТСЯ В
ПЕРСПЕКТИВЕ (продолжение)
10

Долгосрочная перспектива: до 2050 г.






Солнечная энергетика
Второе поколение биотоплив
Автотранспорт на топливных элементах
Автотранспорт на электричестве и гибридный
Генерация с использованием технологий CCS
Трансформация топлив
СТРУКТУРА КОМПЛЕКСА СЕКТОРОВ
ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТЕГАЗОВЫХ РЕСУРСОВ И
НЕФТЕГАЗОХИМИИ
ПРОДУКТЫ
СЫРЬЕ
НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА
ПРОДУКТЫ
НГХИМИЯ
СЫРЬЕ
НЕФТЬ И КОНДЕНСАТ
СЫРЬЕ
СЫРЬЕ
ПРОДУКТЫ
ГАЗОХИМИЯ
ХИМИЯ
ПРОДУКТЫ
ПРОДУКТЫ
ПОТРЕБИТЕЛИ
СЫРЬЕ
ГАЗОПЕРЕРАБОТКА
ПРИРОДНЫЙ ГАЗ И ПНГ
11
СЕКТОР ГАЗОПЕРЕРАБОТКИ
12
НГК
БПГ и ПНГ
СОГ
МЕТАН
ЭТАН
СОГ
ШФЛУ
СГБ
СУГ
СГБ
НЕКОТОРЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ,
ПЕРЕРАБОТКИ И ТРАНСПОРТИРОВКИ
13


Сепарация «жирных» газов с помощью
сверхзвуковых технологий с перспективой
создания маломасштабной установки СПГ
Разработка новых видов углеводородного сырья
 Сланцевый
газ
 Различные виды «тяжелой нефти» (большая
вязкость)
 Матричная нефть (содержит редкие металлы)
(ИПНГ)


Новые технологии хранения природного газа
(ИПНГ)
Компримированный природный газ – хранение
и транспортировка в пористых средах
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПРОЦЕССА ГИДРОГЕНИЗАЦИИ
ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ КОМПОНЕНТОВ МАТРИЧНОЙ
ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ
НЕФТИ
14
ЭМУЛЬГИРОВАНИЕ
Водный раствор соединения
молибдена
Водород
ГИДРОГЕНИЗАЦИЯ
Дистиллятные фракции
на переработку
СЕПАРАЦИЯ ПРОДУКТОВ
Газ на концентрирование
водорода
Остаток
дистилляции Воздух
СЖИГАНИЕ
Дымовые газы
Дымовые газы
ОЧИСТКА ОТ SO2 И ПЫЛИ
Зола
ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ
Регенерированный катализатор
(водный раствор молибдата
аммония)
ЦЕННЫЕ РЕДКИЕ И РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ,
УГЛЕРОДНОЕ ВОЛОКНО, НАНОТРУБКИ, НАНОСОРБЕНТЫ,
КАТАЛИЗАТОРЫ И НОВЫЕ КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСТАНОВКИ
“3S”
15
1 - закручивающее устройство,
2 - до/сверхзвуковое сопло,
3 - рабочая часть,
4 - устройство отбора газожидкостной смеси,
5 - диффузор
4
2
ГЖС
1
ГЖС
3
5
ТЕХНОЛОГИИ ГЕНЕРАЦИИ
ЭЛЕТРИЧЕСТВА (ГАЗ)
16

Комбинированный цикл для природного газа (Natural
Gas Combined Cycle)
комбинация газовой и паровой турбин, эффективность порядка 60%
Горючая смесь
Компрессор

Камера
сгорания
Газовая турбина
Получение
пара
Паровая
турбина
Выхлоп
Когенерация (Combined Heat and Power)
может работать на разных видах топлива, общая эффективность более 90%

Газовые турбины закрытого цикла
Теплообменник 1
Рабочий газ
Газовая
турбина
Компрессор
Теплообменник 2
Перспектива: утилизация тепловой
солнечной и атомной энергии
Рабочий газ – сверхкритический СО2
ТЕХНОЛОГИИ СНР
17

Схематика технологии СНР (когенерация)
Тепло
Электричество
1 – электрические генераторы,
2 – паровая турбина,
3 – конденсатор,
4 – насос,
5 – котел/теплообменник,
6 – газовая турбина
Топливо

Используется там, где одновременно необходима и электрическая, и тепловая
энергия, возможно дополнительное производство холода – тригенерация

Характеризуется высоким (>90%) уровнем использования энергии первичного
топлива
ТЕХНОЛОГИИ ГЕНЕРАЦИИ
ЭЛЕТРИЧЕСТВА (УГОЛЬ)
18

Сжигание измельченного угольного порошка
(Pulverised Coal Combustion): сверхкритическое (SC) и
ультраSC (USC)
высокие температуры и давления
ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ

СЖИГАНИЕ СМЕСИ
ПОРОШКА И ВОЗДУХА
ПОЛУЧЕНИЕ
СВЕХКРИТИЧЕСКОГО
ПАРА
ПАРОВАЯ ТУРБИНА
Сжигание в кипящем слое (Fluidised Bed Combustion)
смесь частиц и постоянно вдуваемого воздуха образует смесь в псевдоожиженном
состоянии, которая сжигается при относительно невысоких температурах;
малочувствительна к качеству топлива

Комбинированный цикл с интегрированной
газификацией (Integrated Gasification Combined Cycle)
ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ
ПОРОШОК (С) +
КИСЛОРОД (О2) +
ПАР (Н2О)
ПОЛУЧЕНИЕ
СИНТЕЗ-ГАЗА
(Н2 + СО)
КОМБИНАЦИЯ ГАЗОВОЙ
И ПАРОВОЙ ТУРБИН
ТЕХНОЛОГИИ УЛАВЛИВАНИЯ
И ЗАПАСАНИЯ СО2
19

CCS (Carbon Capture and Storage) – три стадии: сепарация СО2,
транспортировка, захоронение в геологических формациях




Сепарация СО2 – трудности на промышленном масштабе
Транспорт – трубопроводы высокого давления
Хранение – соляные и нефтегазовые резервуары
Методы


После сжигания (Post-combustion) – метод абсорбции
До сжигания (Pre-combustion)
ТОПЛИВО (С, СН4) +
КИСЛОРОД (О2) +
ПАР (Н2О)
ПОЛУЧЕНИЕ
СИНТЕЗ-ГАЗА
(Н2 + СО)
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
В СМЕСЬ Н2 + СО2
АБСОБЦИЯ СО2
СЖИГАНИЕ Н2

Сжигание в О2 (Oxyfuel) – выхлоп состоит из чистого СО2 и Н2О

«Химическое сжигание» (Chemical Looping Combustion) –
окисление углеводородов при посредстве катализатора (металл)
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
20


Энергия ветра (наиболее зрелое направление, повышение
качества турбин, увеличение размеров)
Солнечная энергетика





Фотоэлементы
Концентрация тепла
Газовые турбины закрытого цикла (типа Стирлинга)
Малая гидроэнергетика (усовершенствование турбин)
Энергетика биомассы (сжигание, в смеси с другим топливом,
газификация, анаэробное получение биогаза)


1-ое поколение биотоплив: сахара, крахмал, масло из растений ->
этанол, пропанол, бутанол
2-ое поколение биотоплив: переработка целлюлозосодержащих
компонент (термохимия, газификация, пиролиз, биохимия)
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ
21

Сети






Контроль электрогенерации
Компьютерная система учета поступающей электроэнергии
Система оптимизации и связи
Проводники (например, высокотемпературные сверхпроводники)
Измерительные средства для потребителей электроэнергии
Аккумулирование электроэнергии

Для удовлетворения пикового спроса и обеспечения
взаимозаменяемости источников


Тепловое запасание с использованием тепловых насосов
Будущая система заправок электромобилей
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
22

Фотоэлементы





Кристаллический кремний (достаточная эффективность при
не очень высокой стоимости)
Тонкие пленки (низкая стоимость, низкая эффективность)
Концентрированная энергетика, использование
специальной оптики (высокие стоимость и эффективность)
Органические/полимерные фотоэлементы
Концентрация тепла (+ аккумулирование)

Линейные параболические коллекторы (troughs)
ЛИНЕЙНЫЙ ПАРАБОЛИЧЕСКИЙ
РЕФЛЕКТОР


СИСТЕМА ТРУБОПРОВОДОВ
С СИНТЕТИЧЕСКОЙ НЕФТЬЮ
ПОЛУЧЕНИЕ
ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА
ПАРОВАЯ ТУРБИНА
Линейные рефлекторы Френеля
Концентраторы, отслеживающие Солнце: параболические
(используют двигатели типа Стирлинга), плоские – башни
АВТОТРАНСПОРТ
23

Разработки для альтернативных топлив
 На
основе природного газа: СУГ, сжатый газ
 Жидкие синтетические топлива: Gas To Liquid, Coal
To Liquid
 БиоЭтанол (сахарный тростник, зерновые)
 БиоДизель: Biomass To Liquid

Перспективный автотранспорт
 Гибридные
автомобили
 Электромобили
 Автомобили на топливных элементах
СТЕПЕНЬ РАЗВЕРТЫВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ
24

Наличие прототипа или демонстрационных образцов


Высокая себестоимость и соответствующая рыночная ниша


Примеры: ветряная генерация, генерация из биомассы на
некоторых рынках
Зрелая технология


Примеры: солнечные концентраторы, фотоэлементы, гибридные
автомобили
Умеренная себестоимость и соответствующая рыночная ниша


Примеры: топливные элементы, второе поколение биотоплив,
электрические автомобили, CCS
Примеры: энергоэффективность, промышленное СНР
Общая оценка дополнительных затрат при реализации
низкоуглеродных сценариев – порядка 46 трлн. USD до
2050 г. по миру
ПРИМЕРЫ ОРИГИНАЛЬНЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ
25





Элетронно-лучевая технология газоочистки
(угольные ТЭС)
Первичная гидрогенизация сырья, имеющего
широкий фракционный состав (применение
специальной каталитической системы)
Очистка энергией разряда холодной плазмы
отходящих газов тепловых машин
Установки GTL малого масштаба
Производство фуллеренов (форма чистого
углерода С60 и более)
Уровень риска
26
ОБЩАЯ КАРТА ТЕХНОЛОГИЙ
(В ОСНОВНОМ ГЕНЕРАЦИЯ)
CCS
Геотермальная
и приливы
Биотопливо
для транспорта
Биомасса
Установки
Новые типы на синтез-газе
автотранспорта
Электрические
сети
Солнце
Газ + пар
турбина
Сжигание в
кипящем слое
Технологии
энергоэффективности:
СНР, тепловые насосы
«Сверхкритическое»
сжигание
Ветер
Малые гидро
Инновационный потенциал
Уровень риска
27
КАРТА ДЛЯ СОЛНЕЧНОЙ
ГЕНЕРАЦИИ
CSP Зеркала с
Отслеживанием солнца
PV Полимерные
пленки
Системы использования
и запасания тепла
CSP Линейные коллекторы
PV Тонкие пленки
PV Кристаллический
кремний
Инновационный потенциал
КАРТА СНР ТЕХНОЛОГИЙ
Уровень риска
28
Высокотемпературный
топливный элемент +
газовая турбина
Н2
Микро- и
минитурбины
Высокотемпературные
топливные элементы
Низкотемпературные
топливные элементы Двигатели
Стирлинга
Двигатель
внутреннего
сгорания
Газовая
турбина
Паровая турбина
С дополнительным
испарительным контуром
(органические жидкости)
Паровая и
газовая
турбины
Опция с
абсорбционным
холодильником
Инновационный потенциал
ПРИМЕРЫ ПРОЕКТОВ
29

В Дании запущена производственная линия по изготовлению полимерных
солнечных батарей. Производство полимерных солнечных батарей
осуществляется компанией Mekoprint A/S. Перед открытием производства
10 лет проводились проектно-конструкторские работы на базе Датского
технического университета.

Центр возобновляемой энергетики и крупнейший украинский
производитель солнечных панелей ЗАО “Квазар” начинают выпуск
компактных портативных солнечных электростанций для зарядки
мобильных телефонов. Вес устройства составляет всего 230 г, размеры
17х14 см (при толщине в сложенном состоянии 2,5 см).

В Мурманской области реализован первый в России коммерческий проект
в области ветроэнергетики. Проект реализован ветроэнергетической
компанией ЗАО «ВетроЭнерго» в сотрудничестве с крупнейшим
энергоснабжающим предприятием Мурманской области ООО «КРЭСАльянс» и при поддержке регионального Правительства.
НЕКОТОРЫЕ РОССИЙСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ И ИХ УЧЕТ
30

Неразвитость венчурной инфраструктуры

Недостаток проектов «зрелой» стадии

Значительное количество «проектов-заготовок»

Наличие доступа к широкому спектру источников научнотехнической экспертизы (с умеренными затратами)

Отсутствие инфраструктуры «бизнес-ангелов»
ОТСЮДА:

Целесообразность и возможность построения «вертикально
интегрированных»
венчурных
структур,
охватывающих
«длинные» цепочки проектов и управляющих интегральным
риском за счет сочетания значительного числа проектов
ранней стадии и небольшого числа проектов зрелой стадии
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ