Кузык Б. Н. - Россия. Стратегия перехода к водородной энергетике
Внимание к использованию водорода в качестве альтернативного вида топлива существует уже не одно десятилетие. К этим работам активно подключились ведущие индустриальные страны и крупные промышленные компании, что обусловлено как достигнутым за последнее время технологическим прогрессом в рассматриваемой области, так и привнесенными экономическими обстоятельствами, связанными с высокой ценой на ископаемые энергетические ресурсы, политическими аспектами формирования рынка энергоносителей.
Не в последнюю очередь перспективы развития экологически чистой энергетики определяются загрязнением окружающей среды продуктами сгорания и прогнозируемыми изменениями климата в результате парникового эффекта.
Сегодня во всем мире растет беспокойство, вызванное энергоэкологическим кризисом. Мировая энергетика, базирующаяся на традиционных, невозобновляемых источниках угле, нефти и газе, во-первых, обходится слишком дорого, а во-вторых, становится все более опасной для человечества.
Она оказывает вредное воздействие на природу, на все живое, вызывая изменения климата, мутации, болезни.
Выход из кризиса лежит на пути развития новых технологий. Приходит время экологически чистых источников энергии и ведущее место среди них может занять водородное топливо. Над его освоением российские и зарубежные специалисты работают еще с 70-х годов прошлого века.
Правда, наша страна на время утратила здесь лидирующую роль, но теперь быстро наверстывает упущенное.
Национальная научно-инновационная программа Водородная энергетика на период до 2050 г., проект которой представлен в книге, в сущности, открывает перед нами новый формат будущего. Каким оно видится российским ученым?
Это должно быть устойчивое социально-экономическое развитие в гармонии с природой, которое обеспечит каждому человеку достойную жизнь.
Конечно, путь к этому не простой и не близкий. Развитие новой энергетики не начнется сразу и повсеместно. Инновации еще до их внедрения будут проверяться на практике самым строгим образом: водород все-таки небезопасен, надо уметь им пользоваться.
Затем новая энергия придет в регионы и отрасли пионерного освоения. Иначе говоря, туда, где в ней есть особая нужда, где для этого созрели условия.
В городах появятся автомобили на топливных элементах, которые не будут загрязнять атмосферу. На фермах, в больницах и школах, в ЖКХ войдут в жизнь автономные водородные энергоустановки, особенно необходимые в отдаленных регионах.
Все это видится за разделами книги, написанной российскими учеными, разработчиками программы. Полагаю, она найдет живой отклик не только в научных и деловых кругах нашей страны, но и среди молодежи, технической и гуманитарной.
Молодежь более восприимчива к новым идеям, она уже сейчас начинает включаться в число деятельных участников водородной программы стремительно и с фантазией.
Программа заслуживает внимания всех уровней власти от федерального до муниципального. И конечно, требует более активного участия со стороны бизнеса.
Необходимы, по примеру других экономически развитых стран, крупные бюджетные и частные вложения. Потребуется также принятие законов, обеспечивающих благоприятный климат для будущих инноваций.
ВВЕДЕНИЕ
В последние несколько лет, в условиях развертывания глобального энергоэкологического кризиса, становится все более очевидным, что ключевым направлением научно-технологического переворота первой половины XXI в. является энергоэкологическая революция. Ее стержень переход от ископаемого топлива к альтернативным энергоисточникам, в том числе водородной энергетике, базирующейся на практически неисчерпаемом и экологически чистом источнике энергии.
Водородная энергетика обеспечит более высокие и устойчивые темпы экономического развития, уменьшит угрозу необратимых изменений климата.
Толчком для развертывания исследований в области водородной энергетики стал мировой энергетический кризис начала 1970-х годов. Однако основой энергетической политики авангардных стран долгосрочные водородные программы стали лишь с 2003 г., после встречи на высшем уровне в Йоханнесбурге (2002 г.), где энергетические проблемы заняли центральное место, а также вследствие скачкообразного роста мировых цен на топливо и вступления в силу Киотского протокола.
В России исследования в области водородной энергетики проводились на мировом уровне до 1990-х годов, затем в ходе неолиберальных рыночных реформ государственная поддержка этих перспективных разработок была практически прекращена. Лишь с конца 2003 г., после подписания соглашения между Российской академией наук и горно-металлургической компанией Норильский никель и утверждения
Комплексной программы поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам, эти исследования были возобновлены и ведутся широким фронтом. Однако государственная поддержка исследований в области водородной энергетики минимальна и технологическое отставание России от авангардных стран в этой области не преодолено.
Чтобы преодолеть это отставание и повысить роль государства в осуществлении современного научно-технологического переворота, Институт экономических стратегий, Международный институт П. Сорокина Н. Кондратьева, кафедра теории и практики государственного регулирования рыночной экономики Российской академии государственной службы (РАГС) при Президенте РФ подготовили научный доклад и концепцию формирования Национальной научно-инновационной программы Водородная энергетика на период до 2050 г. Доклад был опубликован и обсужден на Междисциплинарной дискуссии в РАГС 30 марта 2005 г.
Авторы доклада опирались на теорию и методологию инновационного развития, изложенную в монографии Б.Н. Кузыка и Ю.В.
Яковца Россия-2050: стратегия инновационного прорыва, на опыт разработки долгосрочных программ в области водородной энергетики в Европейском союзе, США, Японии и других странах, а также на советский опыт реализации плана ГОЭЛРО, ракетно-ядерных и космических программ.
С момента публикации научного доклада за прошедшие два года в мире произошли по крайней мере три события, которые побудили нас подготовить настоящую монографию и представить ее на Международной выставке в Ганновере (апрель 2007 г.) и на XX Всемирном энергетическом конгрессе (Рим, ноябрь 2007 г.).
Во-первых, на саммите Группы восьми (G8) в Санкт-Петербурге в июле 2006 г. обсуждался вопрос глобальной энергетической безопасности и был принят Санкт-Петербургский план действий по глобальной энергетической безопасности. Два пункта этого плана (21-й и 26-й) имеют непосредственное отношение к водородной энергетике. Пункт 26 гласит: Мы поддерживаем переход к водородной экономике, в том числе в рамках Международного партнерства по водородной экономике (IPHE).
Важнейшим элементом этих усилий должна стать разработка единых международных стандартов в области развития коммерческой водородной энергетики, инфраструктуры и соответствующих мер безопасности. И часть пункта 21, относящегося к эффективности и энергосбережению на транспорте, гласит: Интенсифицировать научные исследования для разработки транспортных средств, разработанных на бензине, водородном топливе и водородных топливных элементах для содействия созданию водородной экономики. Тем самым водородная энергетика и водородная экономика получили высшее международное признание как перспективные направления развития глобальной энергетики в XXI в.
Среди глобальных энергетических проблем на саммите были отмечены: возрастающий спрос на энергоресурсы (по оценкам, он увеличится к 2030 г. в полтора с лишним раза, притом приблизительно на 80% будет удовлетворяться за счет ископаемого топлива, запасы которого ограничены); высокие и неустойчивые цены на нефть; растущая зависимость многих стран от импорта энергоносителей (добавим, России от их экспорта); потребность в огромных инвестициях во все звенья энергетической цепочки; необходимость защиты окружающей среды и решения проблемы климатических изменений. Саммит указал также на необходимость разработки среднесрочных и долгосрочных прогнозов спроса на энергоресурсы. Основные контуры такого прогноза намечены в опубликованном в конце 2006 г. Интегральном прогнозе инновационнотехнологической и структурной динамики экономики России
на период до 2030 года. Материалы соответствующего раздела прогноза использованы в этой книге.
Во-вторых, в 2005 г. создана Национальная инновационная компания Новые энергетические проекты (НИК НЭП). Она фактически стала управляющей компанией по программе Водородная энергетика и действует в тесном сотрудничестве с ГМК Норникель и Российской академией наук. Компания занялась оценкой, отбором и реализацией перспективных научно-исследовательских и опытно -конструкторских проектов в области водорода и водородных топливных элементов, приняла участие в нескольких международных выставках, установила контакты с рядом зарубежных компаний, действующих в этой сфере. На заседании НТС компании 12 декабря 2006 г. был заслушан доклад первого заместителя генерального директора НИК НЭП В.А.
Пивнюка О стратегии научно-технического и производственно-технологического развития ООО Национальная инновационная компания Новые энергетические проекты" и продвижении на российский рынок водородных технологий и топливных элементов. Этот доклад в доработанном виде помещен в качестве 3-й главы настоящей книги, равно как и программа на 2007 2012 гг. и этапы работ по проекту Водородная энергетика и топливные элементы. Кроме того, в Приложении 1 впервые публикуется доработанный проект Национальной научно-инновационной программы Водородная энергетика на период до 2050 г.
Все это свидетельствует о том, что Россия начинает преодолевать сложившееся в прошлом отставание в развитии альтернативной энергетики и со временем имеет шанс стать лидером в некоторых ее направлениях.
В-третьих, активизировалась работа по созданию кадрового и информационного обеспечения становления водородной энергетики, которую проводит Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) (МИРЭА) совместно с химическим факультетом МГУ им. М.В.
Ломоносова, другими вузами и в сотрудничестве с Национальной ассоциацией водородной энергетики и Российской академией государственной службы при Президенте РФ. Регулярно организуются научные конференции по этой проблематике, создан молодежный водородный клуб, издается журнал Водородный всеобуч.
Вопросы развития водородной энергетики широко отражаются на интернет-сайтах. Такой подход отвечает требованиям, сформулированным Группой восьми в Санкт-Петербурге (июль 2006 г.) при обсуждении вопроса Образование для инновационных обществ в XXI веке: Образование составляет основу прогресса человечества.
Социально-экономическое процветание в XXI веке зависит от способности стран обеспечивать образование всех членов общества, чтобы дать возможность каждому человеку преуспеть в стремительно меняющемся мире. Инновационное общество готовит граждан жить в условиях быстрых перемен.
Мы будем способствовать формированию глобального инновационного общества посредством развития и интеграции всех трех элементов треугольника знаний (образование, исследования и инновации), крупномасштабного инвестирования в человеческие ресурсы, развития профессиональных навыков и научных исследований, а также путем поддержки модернизации систем образования, чтобы они в большей мере соответствовали потребностям глобальной экономики, основанной на знаниях.
В этом документе саммита отмечается необходимость сотрудничества на международном уровне путем создания инновационных альянсов для формирования критической массы научно-технических знаний и трудовых ресурсов, необходимых для развития информационных обществ. По сути дела, такой инновационный альянс в области водородной энергетики и создается в России.
В его составе НИК НЭП, ГМК Норникель, РАН, РАГС, МИСК, МИРЭА, МГУ, ряд институтов РАН и других ведомств, а также представители некоторых зарубежных университетов и компаний. Деятельность альянса реализует принцип инновационного партнерства государства, бизнеса, науки и образования.
В документах Группы восьми содержится также призыв более эффективно использовать в образовании информационно-коммуникационные технологии, которые играют решающую роль в деле образовательных потребностей высокотехнологичной экономики. Поэтому в данную книгу включена глава о кадровом и информационном обеспечении освоения и развития водородной энергетики.
К книге прилагается видеокомпакт-диск, посвященный водородной энергетике.
Книга издается как на русском, так и на английском языке, размещается в Интернете на сайте и тем самым станет доступной самому широкому кругу ученых, специалистов, преподавателей, студентов и учащихся, интересующихся проблемами водородной энергетики.
Мы надеемся, что книга будет способствовать формированию поколения, которое практически освоит водородную энергетику, преодолеет угрожающий будущему планеты глобальный энергоэкологический кризис и создаст глобальное инновационное общество, основанное на знаниях.
Стоит отметить новые положения, представленные в этой книге:
- раскрытие содержания энергоэкологической революции первой половины XXI в. и обоснование необходимости реализации Национальной программы, позволяющей концентрировать ресурсы государства и бизнеса на ключевом направлении научно-инновационного прорыва: формировании шестого экономического уклада;
- долгосрочный (до 2050 г.) горизонт программы, позволяющий в оптимальные сроки пройти последовательные стадии научной разработки и инновационного освоения ключевого направления научно-технологического переворота, трансформирующего энергосистему и экономику;
- формирование инновационного партнерства государства, научного сообщества, образования, бизнеса и гражданского общества для осуществления научно-технологического прорыва;
- ориентация на международное сотрудничество в реализации программы с заинтересованными странами СНГ, Европейским союзом, США, Японией, Китаем и другими странами на создание международного инновационного альянса;
- обобщение накопленного опыта и определение перспектив кадрового и информационного обеспечения прорыва к водородной энергетике с целью активизировать участие в нем следующего поколения.
Мы искренне благодарны ученым, которые откликнулись на нашу просьбу и представили свои разделы книги. Это к.т.н.
A. А. Дагаев (гл. 2); В.А. Пивнюк (разд. 3.1 3.4); д.э.н., академик РАЕН А.Н.
Фоломьев, д.э.н., член-корр. РАЕН К.И.
Плетнев, к.э.н. О.В. Иванов; д.э.н., академик РАЕН А.В. Тодосийчук, к.э.н.
Г.В. Бромберг (гл. 4); д.ф.-м.н., член-корр. РАН А.С.
Сигов, д.и.н.
B. В. Шинкаренко, д.х.н. А.А. Евдокимов, к.т.н. Ю.А.
Котляр, д.т.н. В.М.
Лазарев, к.ф.н. П.Б. Шелищ, к.х.н. В.В.
Васекин (гл. 5); д.э.н., член-корр. РАЕН В.И.
Чалов, д.и.н. В.В. Шинкаренко (разд.
6.1 6.3); д.э.н., академик РАЕН В.И. Кушлин и к.э.н. О.В. Симагина (разд.
6.4).
Включен также опубликованный в докладе 2005 г. материал ныне ушедшего от нас д.ф.-м.н., академика РАЕН Л.В. Лескова (разделы 1.5 и 4.1.1).
Тенденции динамики энергосектора в мире и России
Энергетика является одним из главных факторов экономического роста, повышения производительности труда и улучшения качества жизни населения. В состав энергосектора (рис.
1.1) входят топливно-энергетический комплекс (разведка, добыча, переработка, транспортировка топлива; производство и поставка потребителям электрической и тепловой энергии), обслуживающие его отрасли (разработка и производство машин, оборудования и материалов для топливно-энергетического комплекса, коммерческое обслуживание, подготовка кадров и т. п.), а также все отрасли и домашние хозяйства, потребляющие топливо и энергию, осуществляющие ее экспорт и импорт. Энергосектор в таком широком его понимании охватывает всю национальную экономику и ее внешние связи, а глобальный энергосектор мировую экономику.
Разведка минерального топлива
Энергетика, как и другие сектора экономики, развивается на основе циклично-генетических закономерностей. В ее динамике отражаются все фазы долгосрочных и сверхдолгосрочных циклов (зарождение, освоение, распространение, зрелость, стагнация, кризис), смена технологических укладов (примерно раз в полвека) и технологических способов производства (раз в несколько столетий). Энергетические революции происходили в прошлом (освоение угля и парового двигателя, появление и распространение нефтетоплива и электроэнергии фундамента третьего технологического
уклада), в середине ХХ в. (распространение газового топлива и атомной энергии видов энергии, характерных для четвертого технологического уклада). Переход от четвертого к пятому укладу ознаменовался мировым энергетическим кризисом 1970-х годов, который стимулировал поиск альтернативных ископаемому топливу источников энергии.
В начале XXI в. началась постепенная, глубокая трансформация энергосектора, закладываются основы энергоэкологического способа производства постиндустриально-ноосферного типа.
Необходимость перемен в энергосекторе объясняется тем, что сегодня уже исчерпаны или серьезно истощены лучшие месторождения ископаемого топлива фундамента современной энергетики. По данным академика Н.П.
Лаверова, потребление коммерческих энергоресурсов в мире увеличилось в ХХ в. в 15 раз и достигло 15 млрд т у. т. в год (из них нефти 40%, угля 27, газа 23, атомной энергии 7, возобновляемых источников гидроэнергии, солнечной и ветровой 3%)1. В результате значительно возросла стоимость ископаемого топлива. Ситуация будет развиваться в том же направлении еще как минимум четверть века, хотя темпы роста потребления первичной энергии несколько снизятся (рис.
1.2, 1.3). Согласно прогнозу энергетической администрации США, объем потребления первичных энергоресурсов во всем мире к 2025 г. достигнет 22 млрд т у. т. при среднегодовых темпах прироста 1,9% (в том числе в Китае 3,5%, Индии 3,2%).
Доля природного газа в общей структуре энергопотребления возрастет до 28,4%, а атомной энергии сократится до 4,5% (рис. 1.4). Глобальный энергетический кризис будет нарастать и углубляться, а ископаемое топливо
непрерывно дорожать (при неизбежных колебаниях мировых цен), что расширит экономические границы использования альтернативных, возобновляемых источников энергии и увеличит их долю в структуре энергопотребления.
Подлинная энергетическая революция развернется во второй четверти XXI в. (рис. 1.5).
Радикально изменится структура первичных источников энергии: за счет альтернативных и возобновляемых источников энергии сократится доля нефти и других ископаемых видов топлива. Переворот охватит и сферу потребления энергопродуктов, в результате спрос на эти ресурсы сначала перестанет так быстро нарастать, а к концу века абсолютно сократится.
В результате энергореволюции появится возможность преодолеть нарастающий глобальный экологический кризис, причиной которого является загрязнение атмосферы стацио-
Рис. 1.5. Прогноз изменения доли основных видов энергосырья в обеспечении мирового энергопотребления
нарными (предприятия) и индивидуальными (транспорт) энергоустановками. По данным Всемирного банка, если темпы роста потребления ископаемого топлива и объемов выбросов СО2 в атмосферу не снизятся, то к началу XXII в. средняя температура на Земле увеличится на 37С, что станет причиной необратимых изменений климата (рис.
1.6). Только значительное сокращение объемов использования ископаемого топлива позволит с 2020 г. стабилизировать общий объем выбросов углекислого газа в атмосферу, а с 2050 г. постепенно уменьшать загрязнение атмосферы.
Современная энергетическая революция неразрывно связана и будет происходить одновременно с экологической революцией, энергосектор приобретет ноосферный характер. Поэтому правомерно говорить о глобальной энергоэкологическойреволюции XXI в., которая изменит лицо планеты.
А. Сценарий интенсивного использования ископаемого топлива
Б. Сценарий дружественного отношения к климату
Рис. 1.6. Сценарии интенсивного использования ископаемого топлива и дружественного отношения к климату (19902100 гг.)
Позиция России в глобальном энергосекторе неоднозначна и противоречива. С одной стороны, страна располагает крупнейшими разведанными запасами угля, природного газа, нефти и может не только удовлетворять собственные потребности в этих видах топлива, но и в значительных объемах поставлять их на экспорт, получая при высоких мировых ценах мировую горную ренту. Она в такой ситуации становится основным источником доходов госбюджета и сверхприбылей нефтегазовых компаний. С другой стороны, объем экспорта топлива непрерывно увеличивается (в 2004 г. он составил половину всего российского экспорта, тогда как среднемировой показатель равняется 8%, у стран с низкими доходами 28%, а у богатых стран 5%)', а доходы от горной ренты концентрируются в валютном резерве Центробанка, Стабилизационном фонде правительства, на счетах нефтегазовых олигархов и в малой доле направляются на модернизацию и инновационное обновление экономики страны.
Растущие потребности национальной экономики в энергоресурсах удовлетворяются не полностью, что тормозит экономический рост. В 20002004 гг. объем экспорта нефти и нефтепродуктов увеличился с 208 до 340 млн т, природного газа со 194 до 200 млрд м3; доля экспорта в добыче нефти достигла 56%, газа 32%2.
Энергосектор России работает с низкой эффективностью: в 2003 г. производство ВВП по ППС на единицу использованной энергии в нефтяном эквиваленте составило 1,9 долл., тогда как среднемировой показатель равен 4,7 долл., а в странах с высоким доходом 5,2 долл. Объем выбросов СО2 на душу населения составил в 2002 г. соответственно 9,9; 3,9 и 12,8 кг, на 1 долл.
ВВП соответственно 1,3; 0,5 и 0,5 кг3.
Мировой энергоэкологический кризис.
