В Сколтехе заглянули в будущее энергетики
На минувшей неделе про изменение климата и механизмы противодействия ему говорили не только на конференции в Париже. В Сколтехе обсудили пути перехода от промышленной эры, основанной на использовании ископаемого топлива, к экологичным способам производства и возобновляемой энергетике
Треть из запущенных к настоящему моменту исследовательских центров Сколтеха связана с энергетикой. Это неслучайно, отметил Алексей Пономарев, вице-президент по стратегии и связям с индустрией Сколковского института науки и технологий. «Энергетика и связанные с ней направления являются нашим приоритетом», - сказал г-н Пономарев на прошедшем в Сколтехе очередном мероприятии Sci Talks.
Тема мероприятия в Сколтехе была сформулирована как «Новые границы мировой энергетики».Фото: Sk.ru
Этот формат предполагает адресованный широкой аудитории рассказ ученых Сколтеха о работе исследовательских центров, достижениях и открытиях. На этот раз тема была сформулирована как «Новые границы мировой энергетики». Своим видением перспектив и соотношения возобновляемой и углеводородной энергетики поделились Януш Биалек, руководитель Центра энергетических систем, Кит Стивенсон, возглавляющий Центр электрохимического хранения энергии, и Михаил Спасенных, директор Центра добычи и переработки углеводородов. Все три исследователя, по оценке Алексея Пономарев, «являются, вероятно, лучшими в России специалистами, с богатым опытом работы и в науке, в индустрии».
Вице-президент Сколтеха во вступительном слове обозначил общий вектор дискуссии. В области спроса доля углеводородов в энергобалансе практически всех развитых и развивающихся стран сокращается, что напрямую связано с повышением энергоэффективности всех видов деятельности и, как следствие, существенным сдерживанием роста энергопотребления, даже при динамичном экономическом развитии. В том, что касается предложения энергоресурсов, вице-президент Сколтеха видит следующие основные тенденции: постепенное сокращение легкодоступных запасов углеводородов, улучшение технологий использования возобновляемых источников (ВИ) энергии (Солнце, ветер, биомасса), а также технологии энергосбережения.
Алексей Пономарев. Фото: Sk.ru
«Сочетание этих факторов будет означать наличие серьезных вызовов для России на ближайшие 20 лет, в частности, в области добычи трудноизвлекаемых запасов углеводородов, - убежден г-н Пономарев. - Наша задача - принять мировые компетенции, развить и раздать их. Мы должны сконцентрироваться на ключевых направлениях и нарастить тот уровень компетенций, который необходим как для работы с углеводородами, так и для энергетического обеспечения новых отраслей». Зона ответственности Центра энергетических систем - оптимизация распределения энергии и энергоэффективность. Центр электрохимии фокусируется на рациональных способах преобразования и хранения, Центр добычи и переработки углеводородов - на работе на сложных месторождениях.
Властелины энергоколец из Сколтеха
Исследования Януша Биалека (Центр энергетических систем) связаны с построением стабильной, безопасной, экологичной и экономически обоснованной системы энергоснабжения. В своем выступлении профессор назвал две главные причины, которые трансформируют облик энергетики. Это изменение климата и объединение локальных систем в региональные энергетические кольца (в последнее время звучат даже заявления о неизбежности будущего формирования единой глобальной энергосистемы).
Примерно треть мировых выбросов углекислого газа – следствие выработки электроэнергии. Осознание этого факта вынуждает все больше государств развивать альтернативную энергетику, причем на лидирующих позициях - Китай. В 2013 году в КНР за счет гидроэнергетики и энергии ветра произвели почти 380 гигаватт - это в три раза больше, чем пиковое потребление в России. В Германии треть выработанной в прошлом году энергии приходилось на возобновляемые источники.
Россия, являясь одним из основных мировых эмитентов парниковых газов (и в абсолютных цифрах, и в пересчете на душу населения), производит 16% электроэнергии за счет гидростанций. Показатели, приходящиеся на другие виды возобновляемых источников, стремятся к нулю. Между тем, убежден директор Центра энергетических систем Сколтеха, развитие ВИ в России будет иметь очевидные последствия не только для климата, но и национальной экономики. За Уралом большая часть регионов не входит в единую энергосистему. Низкая плотность населения и громадные расстояния между объектами потребления зачастую делают нецелесообразным строительство ЛЭП, возникают изолированные энергоузлы на привозном топливе - мазуте или солярке.
Изучение механизмов встраивания «новой» генерации в «старую» энергосистему – одно из основных направлений деятельности Центра энергетических систем. Сейчас в Сколтехе создают единственную в России лабораторию интеллектуальных активно-адаптивных сетей «Мини-Грид» для оценки перспектив солнечной, ветро- и гидрогенерации, топливных ячеек, а также систем управления этой электрической сетью в миниатюре, состоящей из генерирующей и потребляющей частей. «Мы чувствуем серьезный интерес со стороны индустрии», - заверил собравшихся г-н Биалек.
Условия распределенной генерации, сложной оптимизации энергетических потоков в интеллектуальных активно-адаптивных сетях, выстраивание тарификации на энергетических рынках – вот те задачи, с которыми сталкивается электроэнергетика в XXI веке. «Мы живем в эпоху небывалых трансформаций, меняющих, в том числе, механизм производства и потребления энергии, - пояснил профессор Биалек. - В XX веке управление энергосистемами было централизованным и осуществлялось посредством системного оператора либо ограниченного количества контролируемых электростанций, что позволяло удовлетворять определенный заранее спрос. В XXI веке речь зашла о распределенном управлении большим количеством неконтролируемых и стохастических (имеющих вероятностный характер) источников энергии для удовлетворения столь же непредсказуемого спроса».
Януш Биалек. Фото: Sk.ru
Для работы в новых условиях необходим новый инструментарий и методики. По словам Януша Биалека, «надо переходить на распределенное управление энергосетями, что представляет собой серьезный вызов». Ответ лежит в развертывании так называемых «умных сетей», smart grids. Они используют, в том числе, энергию возобновляемых источников, обладают распределенным интеллектом и повышенной надежностью. К работе над созданием «умных сетей», обладающих навыками самодиагностики и восстановления, целесообразно привлекать междисциплинарные команды, состоящие не только из энергетиков, математиков, физиков, специалистов в области IT, но и экономистов и социологов, изучающих поведенческие характеристики потребителей.
Еще один глобальный фактор, влияющий на развитие энергетики, - курс на создание энергетических колец, объединяющих энергосистемы нескольких стран или регионов. Технологии готовы к революционному нововведению, рассказал профессор Биалек: высоковольтная линия электропередачи постоянного тока (HVDC) позволяет с минимальными потерями соединить объекты, расположенные на большом удалении друг от друга. Плюсы от энергосоединений очевидны – из-за того, что составляющие такую систему элементы расположены в разных часовых поясах, сглаживаются пики и спады потребления, упрощаются требования к резерву мощностей и так далее.
Команда профессора Биалека играет ключевую роль в одном из таких проектов. Планы создания Азиатского энергетического кольца предполагают объединение энергосистем России, Китая, Монголии, Южной Кореи, Японии, Казахстана и Киргизии. Суть проекта проста: за Уралом - избыток электроэнергии, в Корее и Японии – ее дефицит. Соединение энергосистем пойдет на пользу всем странам-участницам и будет иметь очевидную выгоду, причем не только экономическую. «Такие проекты могут содействовать нормализации политической обстановки, - считает Януш Биалек. - Включение в энергокольцо Южной Кореи потребует вовлечения в проект КНДР, что, конечно, породит некоторые вопросы. При этом, как признавали наши собеседники в Южной Корее, это сотрудничество может отчасти способствовать урегулированию разногласий с Севером». То же касается и России и Японии, которые формально остаются в состоянии войны.
Примечательно, что тема климатических изменений, не раз возникавшая во время Sci Talks (и в выступлении Януша Биалека, и в презентациях руководителей других Центров Сколтеха), вызвала живой отклик у аудитории. На разные лады некоторые в зале допытывались у выступавших, что заставляет их считать верным мнение о том, что температура на планете растет. Краткий и емкий ответ климатическим скептикам сформулировал все тот же профессор Биалек. Научное сообщество практически на 100% уверено, что климатические изменения – это факт, и нет оснований не доверять этому мнению. Рецепт противодействия этому явлению аналогичен приобретению автостраховки КАСКО – лучше готовится к худшему и потратить некоторую сумму сейчас, чем потом, после наступления необратимого события, заплатить во много раз больше.
Аккумуляторы и «трудная» нефть
Лейтмотивом выступления Кита Стивенсона, директора Центра по электрохимическому хранению энергии, стала разработка прототипов аккумуляторов с улучшенными свойствами. Системы электрохимического хранения энергии позволяют более эффективно использовать ископаемое топливо, что особенно важно для России.
Кит Стивенсон. Фото: Sk.ru
Исследовательская программа Центра сконцентрирована на разработке металл-ионных и металл-воздушных батарей, а также топливных элементов. Центр также проводит исследования в области фотоэлектрохимических технологий преобразования энергии. Важной задачей является разработка устройств и систем, которые могли бы кардинально улучшить портативную электронику и устройства для транспортировки энергии, в дополнение к масштабному перераспределению энергии с целью выравнивания нагрузки и профилирования мощности. Использование выравнивания нагрузки и профилирования мощности является, в свою очередь, необходимым энергетическим буфером для увеличения эффективности альтернативных источников энергии, таких как солнечная энергия, ветер, вода.
Значительная часть рассказа Кита Стивенсона была посвящена перспективам электромобилей, как пилотируемых, так и автономных. Технологии становятся все более совершенными, так что, по прогнозам, которыми поделился профессор, от 40% до 100% автомобилей к 2025 году будут электрическими либо гибридными.
Михаил Спасенных, директор Центра добычи и переработки углеводородов Сколтеха, свое выступление начал с мысли, озвученной некоторое время назад в интервью Sk.ru: «Каждый год Международное энергетическое агентство ежегодно оценивает, сколько осталось нефти на Земле. По оценке на 1980-й, нефти оставалось на 30 лет. По прошествии десяти лет оценка оставалась прежней - все равно на 30 лет. Почему так происходит? Потому что совершенствуются технологии. Новые технологии позволяют разведывать больше, добывать больше. В том числе, там, где раньше не могли добывать. Пока что в мире растут расходы на исследования и разработки в этой сфере; рост на 20% за последние 10 лет, и даже кризис 2008-09 гг не особенно их затронул. Так что мы еще не пришли к ситуации, что это все бессмысленно».
Гонка за технологиями требует серьезных финансовых вливаний. Несколько лет назад произошел скачок - затраты на исследования и разработки крупнейших мировых нефтегазовых компаний ощутимо выросли. «Человечество осознало, что легкой нефти остается все меньше и нам придется иметь дело с большими запасами трудноизвлекаемых углеводородов. Чтобы их взять, нужны дополнительные средства и дополнительные исследования и разработки. Российские компании это тоже понимают», - сказал М. Спасенных.
Для сохранения текущего уровня добычи углеводородов в России г-н Спасенных считает необходимым нарастить добычу на традиционных месторождениях путем увеличения коэффициента извлечения нефти (КИН). «Российский КИН - порядка 30%, норвежский - более 40%, так что у нас есть резервы в этом отношении. Чем больше КИН, тем дороже нефть. Взять первую нефть легко, это обходится недорого. А вот взять остаточную нефть стоит гораздо дороже. Компании часто говорят, что они бы достигли больших значений КИН и применили бы современные технологии нефтеотдачи, но при этом они будут работать себе в убыток. Наша налоговая система в определенной степени является тормозом высоких КИНов. Это, конечно, не единственный, но очень важный фактор. Компании говорят: мы можем добывать больше, мы можем добывать нефть из баженовской свиты – дайте нам налоговые преференции. Им отвечают: а нам-то зачем? Ну, добудете вы больше, в бюджет заплатите столько же, нефти у нас в недрах останется меньше, да еще с этим кризисом мы и продать-то нефть не сможем.
Так что технологическое отставание - это только одна из причин низкого КИН. В Советском Союзе, где была нормально развитая наука в области нефти и газодобычи и были созданы многочисленные отечественные технологии, сегодняшние значения КИН считались нормальными. Тогда казалось, что запасы Западной Сибири бесконечны, не было стимула вкладываться в увеличение нефтеотдачи. А дальше расходы на исследования стали сокращаться, и новая технологическая база не была создана. Мы застыли на тех значениях, которые были созданы в Советском Союзе».
Второй рецепт, который предлагает Михаил Спасенных, - добыча всех видов трудноизвлекаемых и нетрадиционных углеводородов (карбонатные, низкопроницаемые, сланцевые коллекторы, тяжелые нефти, природные битумы, другие). «Ресурсы считаются огромными, технологии в дефиците, но зато есть инфраструктура. В Западной Сибири - большие запасы баженовской свиты, но, к сожалению, пока никто не знает, как их взять». Наконец, третий способ удержать нынешний уровень добычи - работа в экстремально тяжелых климатических условиях (полярные регионы, арктический шельф).
Суммарные расходы на новые технологические разработки российских нефтегазовых компаний за последнее десятилетие, по экспертной оценке, увеличились до уровня 300-500 млн долларов, что составляет чуть более 3% от мировых затрат. «Новые технологии - необходимый элемент существования бизнеса. Поскольку запасов становится все меньше, добывать их все сложнее, мы вынуждены постоянно создавать или приобретать новые технологии, иначе выпадешь из рынка. Можно ли сделать линейку импортозамещающих технологий по всему спектру, если мы тратим несколько процентов от мировых затрат? Это очень сложно, и уж точно возможно не по всему спектру. Нужно сфокусироваться на разработке прорывных технологий». Сколтех, убежден докладчик, является одной из структур, позволяющих объединить усилия государства и компаний с целью создания новых технологий и подготовки специалистов по работе с трудноизвлекаемыми запасами.
Михаил Спасенных. Фото: Sk.ru
Основная задача возглавляемого Михаилом Спасенных Центра добычи и переработки углеводородов, как в целом Сколтеха, состоит в подготовке специалистов и разработке технологических решений в тех областях, которые будут востребованы в ближайшем будущем и которых на сегодня нет. Когда формировали Центр, опросили представителей индустрии и во многом на основе их рекомендаций определили следующие области исследований: методы увеличения нефтеотдачи, геомеханика, петрофизика, геофизика, геохимия нетрадиционных углеводородов, новые методы моделирования. По словам руководителя Центра, «мы стартуем не с нуля, нашими партнерами являются ведущие российские и мировые университеты, работа которых и создала нынешний уровень технологической экспертизы». Это МГУ, Башкирский госуниверситет, Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука, Институт физики Земли РАН, Техасский университет А&М, Университет Калгари, Университет Хериот-Ватт, Университет Юты и другие.
«Государство вложило в создание Сколтеха значительные средства, и все, что мы здесь узнаем, чему мы учимся, мы должны передавать коллегам в другие университеты. Технологии, которые мы создаем, должны уходить в компании», - убежден Михаил Спасенных. Несмотря на недолгий срок существования Центра добычи и переработки углеводородов, его отношения с компаниями складываются вполне конструктивно - со многими из них действуют совместные программы исследований в области геомеханики, гидратов, баженовской свиты, вычислительных алгоритмов. У Центра выстроены партнерские отношения с «Газпромом», «Росфнетью», «Газпромнефтью», «Росгеологией», «Татнефтью», «Башнефтью», Сhevron и другими компаниями. «Самый крупный проект, который мы выполняем совместно с МФТИ, МГУ им. М. В. Ломоносова, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина при поддержке Минобрнауки и компании Газпромнефть сфокусирован на баженовской свите и предполагает обобщение существующих геологических, литологических, геохимических, петрофизических данных, создание комплексных геолого-петрофизических моделей баженовской свиты и подготовку петрофизического обеспечения технологий разведки и добычи».