Системная оценка технологии термохимической конверсии низкосортного твердого топлива

Актуальность выполненного исследования.

Определение приоритетных областей и направлений развития науки и технологий является составной частью государственной научно-технической политики. В разные периоды времени и в разных странах эту задачу решали и решают по-разному, однако целью этой деятельности неизменно является концентрация ограниченных сил и средств на небольшом числе научно-технических проектов, обеспечивающих конкурентные преимущества национальной экономики и/или социальной сферы на перспективу заданной глубины. В экономически развитых странах методики обоснования приоритетов научно-технического развития основаны на сочетании методов научно-технического прогнозирования и методов форсайта (согласования несовпадающих экспертных оценок представителей науки, бизнеса, государства) и имеют статус закона. В нашей стране к середине 1980;х гг. сложилось научное направление, связанное с планированием технологического развития в энергетике и получившее название системных исследований НТП в энергетике. В процессе смены российской государственности на рубеже 1990;х гг., когда в экономике наблюдался заметный спад, спрос на системные технологические исследования полностью иссяк в связи с существенным сокращением горизонта экономического планирования. Более чем десятилетний период невостребованности не мог не сказаться на потенциале соответствующей научной школы. Однако он не оказался фатальным. В середине 2000;х, когда с восстановлением темпов экономического развития восстановился и спрос на системные технологические исследования в энергетике, оказалось, что их методы не утратили своей актуальности. Более того, опыт решения задач в смежных областях, накопленный уже в условиях либерализованной экономики, позволил рафинировать и развить эти методы, но уже на новой информационной, правовой и компьютеризованной базе. В настоящее время наблюдается своего рода бум спроса на исследования и прогнозы технологического развития в энергетике. Выполняется большое число работ по обоснованию рациональных приоритетов и пропорций развития ТЭК и его технологического обеспечения. Сформирован федеральный перечень критических технологий, разрабатываются энергетические стратегии развития страны, аналогичные стратегии принимают субъекты Российской Федерации, разработан первый (и пока единственный) форсайт. При этом энергетика России приближается к моменту, получившему сленговое название «крест Чубайса», когда рост энергопотребления начинает опережать рост ввода новых генерирующих мощностей. Реновация в большой энергетике, развитие малой и распределенной энергетики и энергосбережение актуальны как никогда прежде. Требуют ответа вопросы: какая потребуется техника, как ее внедрять, какими окажутся затраты, как их распределять, как сделать эти затраты окупаемыми и на каких производителей ориентироваться. Все эти вопросы составляют проблематику и предмет системных технологических исследований в энергетике. Настало время провести ревизию имеющегося инструментария (подходов, методов, моделей), применимого для научно-технологического прогнозирования на среднесрочную и долгосрочную перспективу.

С другой стороны, несколько факторов, включая колебания мировых цен на энергоносители, глобальные изменения климата и связанные с ними международные экологические ограничения, геополитические риски в связи с политической нестабильностью в регионах добычи ископаемых энергоносителей, предубеждения относительно безопасности атомной энергетики и другие, привели к существенному увеличению совокупных затрат на разработку новых энергетических технологий. (К слову, львиную долю этих затрат несут развитые экономики.) В свою очередь, это привело к появлению большого разнообразия видов и разновидностей технологий получения и преобразования энергии. Новые технологии уже существенно потеснили традиционные, и их доля постоянно растет. В связи с взрывным ростом диверсификации состава применяемых энергетических технологий специалисты прогнозируют смену технологического уклада энергетики, который начнется, как ожидается, в 2025;2030 гг. [1−3]. Россия пока остается в стороне от этих процессов. В этих условиях критическая оценка инструментария системных технологических исследований обладает безусловной актуальностью и приоритетом.

Здесь возникает проблема. С одной стороны, выполнять инвентаризацию методов, моделей и данных в отрыве от конкретных технологий бессмысленно. С другой стороны, такая инвентаризация срочно требуется в отношении широкого спектра технологий, различающихся способом преобразования энергии, назначением, видом (видами) используемого первичного и отпускаемого энергоносителя, стоимостью, мощностью, экологическими характеристиками и условиями применения. Этот спектр сегодня насчитывает без преувеличения тысячи разновидностей технологий, которые конкурируют между собой по десятку критериев, а значения критериев, в свою очередь, существенно варьируются по территории. При этом значительную часть информации еще необходимо верифицировать.

Для того чтобы начать эту масштабную работу, в настоящей диссертации решено выбрать в качестве объекта исследования один достаточно широкий класс энергетических технологий, для которого перспективы масштабного внедрения в экономику пока не очевидны. Именно так в качестве объекта исследования выбрана макротехнология термохимической конверсии низкосортных твердых топлив, объединяющая всю совокупность разнообразных технологий преобразования таких топлив в горючие газы. Выбор пал на этот класс технологий также не случайно. Получение из твердого топлива горючих газов с возможностью их дальнейшего использования для производства электроэнергии или жидких моторных топлив обеспечивает возможность для получения остальных видов конечной энергии в любом месте и в любом сочетании. Поэтому оно часто ассоциируется с энергетической независимостью. Тем не менее, несмотря на значительные научно-технические усилия, сосредоточенные на развитии технологий конверсии в разных странах, массовое внедрение этих технологий пока не началось. При этом если верить заявлениям разработчиков, технологии газификации «находятся на рубеже широкого внедрения в энергетике» уже слишком долго — около 40 лет. За последние несколько лет появился ряд публикаций, в которых собрана техническая информация о большом числе проектов по газификации твердого топлива. К сожалению, подавляющее большинство из них страдают недостатком критического анализа и системности. Таким образом, технологии данного класса сами по себе представляют весьма актуальный объект для системного исследования.

Цель и основные задачи работы.

Исследование, выполненное в диссертационной работе, преследует две основные цели: (1) методологическую, связанную с систематизацией методов системных технологических исследований в энергетике, и (2) проблемную, предполагающую анализ технологий определенного класса, оценку их потенциала в экономике и выработку рекомендаций относительно освоения этого потенциала. Автор отдает себе отчет в том, что достижение сразу двух целей — это амбициозная задача («за двумя зайцами погонишься.»). Вместе с тем для этого есть веское основание: развитие методологии в отрыве от решения конкретной проблемы порождает умозрительные конструкты, зачастую не имеющие практической научной ценности, тогда как ценность создания единого научного подхода для выработки и обоснования востребованных обществом решений является самоочевидной.

Для достижения первой из поставленных целей в работе решаются следующие задачи: (1) исследованы причины, обусловившие необходимость целенаправленного изучения НТП в энергетике- (2) исследован временной и пространственный масштаб изменений в технике, составляющих предмет системных технологических исследований как научной дисциплины- (3) предложена иерархия частных задач системных технологических исследований, показана их взаимосвязь- (4) рассмотрена система признаков, формирующих явление научно-технического прогресса- (5) сделан обзор показателей и критериев их оценки, применяемых при решении задач развития энергетической техники- (6) предложена классификация системных энергетических моделей, отражающая специфику решаемых с их помощью задач- (7) введено и проанализировано понятие институциональной среды технического развития, показаны этапы и закономерности ее формирования- (8) на примере коммунального энергоснабжения обоснованы существование и необходимость изучения институциональных ограничений на внедрение новой техники в энергетике России- (9) выявлены общие тенденции развития энергетических технологий- (10) сформулированы современные актуальные задачи исследований НТП в энергетике.

Вторая цель достигается путем решения следующих частных задач: (1) выделены признаки низкосортного твердого топлива, существенные для решения задач его эффективного использования- (2) классифицированы технологии, в совокупности образующие макротехнологию термохимической конверсии твердого топлива- (3) показано влияние уровня технологического развития на оценки объемов доступных энергетических ресурсов низкосортного твердого топлива- (4) исследованы уровень и направления развития современных технологий конверсии твердого топлива- (5) на большом числе конкретных примеров исследованы технико-экономические показатели технологий как для разных вариантов их организации, так и для разных диапазонов единичной мощности установок- (6) исследованы рынки соответствующих технологий термохимической конверсии- (7) текущие и прогнозные показатели удельной стоимости технологий термохимической конверсии сопоставлены с показателями альтернативных технологий- (8) конкурирующие технологии сопоставлены по уровню технической зрелости и степени проникновения на рынок- (9) на основе 8УОТ-анализа технологий термохимической конверсии определены «окна возможностей» для успешной реализации проектов по их практическому применению- (10) выполнен физико-технический анализ показателей эффективности и управляемости процессов термохимической конверсии, оценены предельные показатели их эффективности- (11) исследована эффективность процессов ступенчатой газификации угля- (12) сформулированы наиболее перспективные направления НИР и ОКР по разработке эффективных процессов и установок термохимической конверсии низкосортного твердого топлива.

Новизна работы и выносимые на защиту положения.

Научная новизна работы определяется следующими положениями:

1. Методология системных исследований НТП в энергетике требует обобщения и переосмысления в связи со становлением рыночной экономики и появлением новых критериев эффективности для обоснования направлений развития техники. Результаты критического анализа методов в данной области являются новыми.

2. В рамках исследования технологий термохимической конверсии низкосортных твердых топлив сделан обзор большого числа реализованных технологий и проектов. Обобщенные технико-экономические показатели этих технологий, полученные на единой методической базе, являются новыми.

3. Результаты экспериментального воспроизведения процессов и режимов газификации в широком диапазоне режимных параметров получены впервые и являются новыми.

4. Разработанные в ходе выполнения работы модификации моделей экстремальных промежуточных состояний являются оригинальными. Учет с их помощью макрокинетических ограничений (как методический прием) применительно к термохимической конверсии, формулировка вида этих ограничений, воспроизведение средствами термодинамической модели эпюр параметров реагирующей системы по высоте реактора сделаны впервые.

5. Теоретическое исследование показателей технической эффективности применительно к процессу ступенчатой газификации твердого топлива и оценка возможностей управления им средствами термодинамического анализа выполнены впервые.

6. Признаки, выделяющие системные технологические модели в самостоятельный класс системных энергетических моделей, сформулированы и обоснованы впервые.

7. Результаты анализа факторов, определяющих конкурентоспособность макротехнологии термохимической конверсии в системах малой и распределенной энергетики, являются новыми.

8. Постановка задачи исследования институциональной среды технического развития предложена автором и в рамках системных исследований в энергетике прежде не выдвигалась.

9. Понятие институциональных ограничений на реализацию проектов по созданию и внедрению новых энергетических технологий введено автором впервые. Впервые предложен метод выявления и исследования подобных ограничений.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Обобщение методологии системных технологических исследований в энергетике с позиций современных представлений о научно-техническом прогрессе и его роли в экономике.

2. Развитие методологии системных технологических исследований путем включения в состав ее методов исследования институциональных ограничений, которые в условиях рыночной экономики и достигнутой фазы НТП стали одним из определяющих факторов технологического развития.

3. Система обобщенных технико-экономических показателей, характеризующих макротехнологию термохимической конверсии твердых топлив и отдельных технологий в ее составе, а также методика получения обобщенных технико-экономических показателей технологий, включающая анализ внутренних и внешних факторов развития технологии.

4. Новые модификации моделей экстремальных промежуточных состояний, использующие макрокинетические ограничения и позволяющие рассчитывать профили параметров реагирующей системы по высоте реакционной зоны.

5. Результаты численного и экспериментального исследования режимов термохимической конверсии низкосортных твердых топлив, включая оценки предельных показателей технической эффективности и управляемости процесса ступенчатой газификации.

6. Выводы относительно конкурентоспособности и степени проникновения на рынок технологий термохимической конверсии твердых топлив по сравнению с альтернативными технологиями.

7. Выводы по результатам анализа институциональной среды технического развития, а также институциональных ограничений при реализации проектов в коммунальной энергетике.

Методология исследования.

Теоретической основой решения поставленных в работе задач является методология системных исследований в энергетике, обеспечивающая комплексный сравнительный анализ эффективности технологий малой распределенной энергетики (физико-технический, экономический, экологический и др.), возможных и целесообразных масштабов использования различных энергетических установок, оптимизации их характеристик и структуры. Основной вклад в развитие методологии системных исследований в энергетике внесли Л. А. Мелентьев, Ю. Н. Руденко,.

A.А.Макаров, В. Я. Хасилев, Л. С. Беляев, С. П. Филиппов, а за рубежом.

B.Хефеле, Н. Накиченович, А. Грюблер и др. Основные проблемы системного анализа энергетических технологий и систем на их основе связаны с оценкой совершенства каждой технологии и раскрытием наиболее общих закономерностей и тенденций, ведущих к их освоению, определением благоприятных условий и наиболее эффективных областей применения технологии, раскрытием механизма ее конкуренции с альтернативными источниками энергии. Вопросам общей методологии системных технологических исследований целиком посвящена первая глава диссертации.

Системная оценка технологий является составной частью системных технологических исследований и направлена всесторонний анализ факторов, определяющих условия и перспективы применения отдельной макротехнологии. Результат такого анализа представляет собой структурированный и самосогласованный массив информации, отражающей современный уровень развития технологий и систем, области и возможные масштабы их эффективного применения (в частности, в России и ее регионах), основные ограничения (барьеры) для их разработки и применения. Требование самосогласованности информации достигается путем системного сопоставления технологий, при котором технологии сопоставляются на основе: (1) единой системы критериев эффективности- (2) принципа целостности производственного цикла, включающего производство первичных энергоносителей, их трансформацию и потребление конечных видов энергии- (3) принципа системности энергетики как отрасли хозяйства. Последний принцип устанавливает, что совокупность технических систем электрои теплоснабжения, эксплуатирующих их предприятий, потребителей энергии обладает свойствами, которые не присущи отдельным элементам этой совокупности.

Фактическим материалом для получения обобщенных технико-экономических показателей технологий термохимической конверсии послужил сделанный автором обзор примерно двухсот разработок, сделанных в мире за последние 90 лет. Из них подавляющее большинство приходится на разработки 1970;2000;х гг.

Результатом системной оценки являются рекомендации относительно выбора приоритетов научно-технической политики в сфере энергетики, способов ее реализации и необходимых для этого ресурсов. Рекомендации адресованы органам государственной власти и местного самоуправления, экспертам, разработчикам новых энергетических технологий и установок, представителям бизнеса. Системность рекомендаций находит выражение в том, что вопросы целеполагания (целесообразности реализации разработок) доминируют над сопоставлением частных технических решений.

Практическая значимость и внедрение результатов.

Развиваемая автором методология системной оценки и системного сопоставления энергетических технологий неоднократно использована в разработке прогнозов развития различных технологий производства и преобразования энергии, подготовленных по заказам государстваФедеральное агентство по науке и инновациям (2008, 2009 гг.), Министерство науки и образования России (2011, 2012 гг.) и других организаций — Институт современного развития (ИНСОР, 2010, 2011 гг.), ОАО «ИнтерРАО ЕЭС» (2011 г.).

Результаты анализа технико-экономических характеристик технологий переработки твердых топлив и их рынка использованы при разработке стратегий и концепций развития топливно-энергетического комплекса ряда субъектов РФ, включая Республику Саха (Якутию), Иркутскую и Кемеровскую области. Соответствующие рекомендации закреплены в нормативных документах указанных субъектов РФ. Кроме того, они использованы при выполнении НИР для государственных нужд Иркутской области и целого ряда научно-технических экспертиз по заказам органов государственной власти Российской Федерации и Иркутской области.

Полученные автором результаты технико-экономических исследований в области термохимической конверсии твердых топлив, а также методология системного сопоставления энергетических технологий использованы в рамках системного сопоставления технологий распределенной генерации энергии, выполненного по заказу компании «Группа ОНЭКСИМ».

Результаты физико-технических исследований ступенчатого процесса термохимической конверсии нашли применение в рамках ОКР по проекту, получившему в 2011;2012 гг. поддержку со стороны фонда «Сколково».

Апробация работы.

Отдельные результаты работы докладывались на ряде конференций, включая следующие: Int. Conf. on Sustainable Energy Technologies (SET), Italy 2006, Germany 2009, Canada 2012; «Горение твердого топлива», Новосибирск, 2006, 2009, 2012; Int. Conf. on Thermal Analysis, 2011, DeMoin, Iowa, USA- 7th Int. Workshop on Mathematics in Chemical Kinetics and Engineering (MaCKiE 2011), 2011, Heidelberg, GermanyВсерос. семинар «Моделирование неравновесных систем», Красноярск, 1998, 2006, 2007, 2010; Байкальский междунар. эконом, форум, Иркутск, 2008, 2010; Всерос. конф. «Энергетика России в XXI веке», Иркутск, 2000, 2005, 2010; Всерос. науч.-практ. конф. «Итоги реализации проектов в рамках приоритетного направления „Энергетика и энергосбережение“ ФЦНТП» Москва, Роснаука, 2009; Всерос. конф. «Современные проблемы термодинамики и теплофизики», 2009, НовосибирскВсерос. конф. «Механика и наномеханика структурно-сложных и гетерогенных сред. Успехи, проблемы, перспективы», Москва, 2009; Междунар. конф. ОЭСР-Россия «Дорожные карты как инструмент прогнозирования научно-технологического развития и продвижения новых энергетических технологий», Москва, 2009; Мелентьевские чтения, Звенигород 2003, Иркутск 2008; XIV симпозиум по горению и взрыву, Черноголовка, 2008; Междунар. конф. по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ'2008), Алушта, 2008; Междунар. школа-семинар «Методы оптимизации и их приложения», Иркутск, 2008; конф. ОЭММПУ РАН «Результаты фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое значение», Москва, 2008; III Междунар. конф. «Актуальные проблемы энергетики», Екатеринбург, 2007; конф. «Дискретная оптимизация и исследование операций», Владивосток, 2007; XV Междунар. конф. по выч. механике и соврем, прикл. программ, системам, Алушта, 2007; XII Байкальская всеросс. конф. «Информационные и математические технологии», Иркутск, 2007; научная сессия Общего собрания РАН, Москва, 21.12.2005; научные сессии Президиума Сибирского отделения РАН «Проблемы нетрадиционной энергетики», Новосибирск, 24.02.2005, 13.12.2005; конф. «Энергетика: эффективность, управление, развитие», Благовещенск, 2005; VI Всеросс. совещание по энергосбережению, Екатеринбург, 2005; Междунар. конф. «Малая энергетика», Москва, 2004, 2005; 2-й междунар. конф. «Энергия биомассы», Киев, 2004; ASME Int. Mech. Engineering Congress, USA, 2004; 3rd Int. Conf. on Heat Transfer, Fluid Mech. and Thermodynamics, Cape Town, 2004; семинар «Междисциплинарные исследования в Байкальском регионе» Иркутск, 2000; конф. «Энергосбережение: Проблемы и пути их решения», Иркутск, ИрГТУ, 1999.

Публикации.

По теме диссертационной работы автором опубликовано более 60 печатных работ (исключая тезисы конференций), в том числе следующие:

1. Кейко A.B., Свищев Д. А., Козлов А. Н. Газификация низкосортного твердого топлива: уровень и направления развития технологии. — Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2007. — 70 с.

2. Studying the Controllability of Processes for Thermochemical Conversion of Solid Fuel in a Bed / Keiko A.V., Svishchev D.A., Kozlov A.N., Donskoy I.G. // Thermal Engineering, 2012, Vol. 59, No. 4, pp. 302−309.

3. Thermal analysis for numerical thermodynamic modeling of solid fuel conversion / Kozlov A.N., Svishchev D.A., Donskoy I.G., Keiko A.V. // Thermal Analysis, 2012 (в печати).

4. On the relations between kinetics and thermodynamics as the theories of trajectories and states / Kaganovich B.M., Keiko A.V., Shamansky V.A., Zarodnyuk M.S. // Chemical Kinetics, InTech, 2012, P. 31−60.

5. Исследование управляемости процессов слоевой термохимической конверсии твердого топлива / Кейко А. В., Свищев Д. А., Козлов А. Н., Донской И. Г. // Теплоэнергетика, 2012, № 1, С. 1−7.

6. Кейко А. В. Глубокая переработка угля // Энергетическая стратегия Республики Саха (Якутия) на период до 2030 года / Пр. РС (Я). — Якутск, Иркутск: Медиа-холдинг «Якутия», 2010. — (328 е.), С. 204−217.

7. Кейко А. В. Глубокая переработка угля // Восточный вектор энергетической стратегии России: современенное состояние, взгляд в будущее / Под ред. Н. И. Воропая и Б. Г. Санеева. — Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2011. — С. 169−182.

8. Кейко А. В., Ермаков М. В. Институциональные ограничения при модернизации объектов в малом коммунальном теплоснабжении // Тр. всерос. конф. «Энергетика России в XXI веке», Иркутск, 30.08−03.09.2010. -Иркутск, 2011. — С. 632−639.

9. Термодинамика и построение физико-математических и технико-экономических моделей энергетических систем и технологий / Каганович Б. М., Кейко А. В., Шаманский В. А., Зароднюк М. С. // Тр. всерос. конф. «Энергетика России в XXI веке», Иркутск, 30.08−03.09.2010. — Иркутск, 2011. — С. 382−387.

10. Thermodynamic models of extreme intermediate states and their applications in power engineering / Kaganovich B.M., Filippov S.P., Keiko A.V., Shamansky V.A. // Thermal Engineering, 2011, Vol. 58, No. 2, pp. 143−152.

11. Zarodnyuk M.S., Kaganovich B.M., Keiko A.V. Elaboration of attainability region boundaries in the model of extreme intermediate states // Studia Informatica Universalis, 2011, vol. 9, no. 3, pp. 161−175.

12. Термодинамические модели экстремальных промежуточных состояний и их приложения в энергетике / Каганович Б. М., Филиппов С. П., Кейко A.B., Шаманский В. А. // Теплоэнергетика, 2011, № 2, С. 51−58.

13. Каганович Б. М., Кейко A.B., Шаманский В. А. Развитие равновесного термодинамического моделирования необратимых процессов и его применение в энергетике // Известия РАН. Энергетика, 2011, № 2, С.155−164.

14. Газогенераторные технологии в энергетике / Зайцев A.B., Рыжков А. Ф., Силин В. Е., Кейко A.B. и др. / Под ред. А. Ф. Рыжкова. — Екатеринбург: Сократ, 2010.-611 с.

15. Кейко A.B. Способна ли возобновляемая энергетика стать основой для новой модели энергетики России // Материалы Байкальского между нар. эконом, форума, Иркутск, 2010. — 7 с.

16.Kaganovich В.М., Keiko A.V., Shamansky V.A. Equilibrium thermodynamic modeling of dissipative macroscopic systems // Advances in Chemical Engineering, 2010, Vol. 39, pp. 1−74.

17. Свищев Д. А., Кейко A.B. Термодинамический анализ режимов газификации водоугольного топлива в потоке // Теплоэнергетика, 2010, № 6, С.33−36.

18. Технология термодинамического моделирования. Редукция моделей движения к моделям покоя / Каганович Б. М., Кейко A.B., Шаманский В. А. и др. — Новосибирск: Наука, 2010. — 236 с.

19. Кейко A.B. Системное сопоставление энергетических технологий // Системные исследования в энергетике. Ретроспектива научных направлений СЭИ-ИСЭМ. — Новосибирск, Наука, 2010. — С. 215−227.

20. Кейко A.B. Становление прогнозных технологических исследований в энергетике // Системные исследования в энергетике. Ретроспектива научных направлений СЭИ-ИСЭМ. — Новосибирск, Наука, 2010. — С. 127−146.

21. Свищев Д. А., Кейко A.B., Козлов А. Н. Особенности термохимической конверсии низкосортных твердых топлив // Тр. 7-й Всерос. конф. «Горение твердого топлива». Новосибирск, 11−13 ноября 2009 г. — 6 с.

22. Кейко А. В. Институциональные ограничения на реализацию энергосберегающих проектов в коммунальном теплоснабжении // Материалы науч.-практ. конф. «Итоги реалиизации проектов в рамках приоритетного направления „Энергетика и энергосбережение“ ФЦНТП» Москва, Роснаука, 10 декабря 2009. — 7 с.

23.Keiko A.V. Forecasting indices of small-scale energy technologies // Proc. of 8th Int. conf. «Sustainable energy technologies», Aachen, Germany, 31.0803.09.2009. — 5 p.

24. Modelling a solid-fuel staged gasification process / Keiko A.V., Svishchev D.A., Kozlov A.N. et al. // Proc. of 11th Int. Conf. on Sustainable Energy Technologies (SET-2012), Sept. 2−5, 2012. Vancouver, Canada. — 12 p.

25. Кейко A.B., Клер A.M., Филиппов С. П. Методика сопоставления новых энергетических технологий и выбора наиболее перспективных для составления дорожных карт // Мат-лы междунар. конф. «Дорожные карты как инструмент прогнозирования научно-технологического развития и продвижения новых энергетических технологий», Москва, 22−23.06.09. -14 с.

26. Филиппов С. П., Кейко А. В. Децентрализация энергоснабжения: тенденции и перспективы / Тр. VI Мелентьевских чтений, Иркутск, декабрь 2008.-С. 192−209.

27. Козлов А. Н., Шаманский В. А., Кейко А. В. Термодинамическое моделирование процесса пиролиза древесной биомассы с макрокине-тическими ограничениями // Тр. XIV симпозиума по горению и взрыву, Черноголовка, октябрь 2008. — 6 с.

28. Термодинамическое моделирование движения жидких и газообразных сред в энергетических установках и системах / Каганович Б. М., Кейко А. В., Шаманский В. А., Зароднюк М. С. // Тр. VII Междунар. конф. по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ'2008), май 2008, Алушта. — М.: Вузовская книга, 2008. — С. 198−200.

29. Кейко A.B. О развитии энергоснабжения в центральной экологической зоне Байкальской природной территории // Мат-лы V Байкальского экономического форума. Круглый стол № 7. 8−11.09.2008. — 3 с.

30. Кейко A.B. Перспективные характеристики технологий малой энергетики // Мат-лы II Междунар. конгр. ОЭСР-Россия «Перспективные технологии XXI века», Москва, 30.09−3.10.2008. — 4 с.

31. Моделирование неравновесных открытых систем методами равновесной термодинамики / Каганович Б. М., Кейко A.B., Филиппов С. П., Шаманский В. А. // Вестник СГТУ, Саратов, 2008, № 1, С. 27−39.

32. Свищев Д. А., Козлов А. Н., Кейко A.B. Учет макрокинетики в термодинамическом моделировании процессов слоевой газификации // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2008, 1, С. 18−24.

33. Термодинамическое моделирование процесса газификации с ограничениями на макрокинетику / Кейко A.B., Козлов А. Н., Свищев Д. А., Шаманский В. А. // Тр. III Междунар. конф. «Актуальные проблемы энергетики», Екатеринбург, 21−23 ноября 2007. — 7 с.

34. Козлов А. Н., Кейко A.B. Применение термического анализа для определения технических характеристик твердого топлива // Тр. III Междунар. конф. «Актуальные проблемы энергетики», Екатеринбург, 21−23 ноября 2007. — 5 с.

35. Кейко A.B., Свищев Д. А., Козлов А. Н. Газификация низкосортного твердого топлива: состояние и развитие // Тр. III Междунар. конф. «Актуальные проблемы энергетики», Екатеринбург, 21−23 ноября 2007. -25 с.

36. Козлов А. Н., Кейко A.B. Применение термического анализа для определения технических характеристик твердого топлива // Вестник Иркутского гос. тех. ун-та, 2007, № 2., С. 19−23.

37. Кейко A.B. Прогнозные исследования энергетических технологий // Фундаментальные исследования в Восточной Сибири. — Новосибирск: Наука, 2007. — С. 72−80.

38. Соломин С. В., Кейко А. В. Исследование перспектив развития структуры энергетических технологий Иркутской области на региональной энергетической модели // Тр. XII Байкальской всеросс. конф. «Информационные и математические технологии», 2007, 4.1, С. 128−135.

39. Каганович Б. М., Кейко А. В., Шаманский В. А., Ширкалин И. А. Термодинамическое моделирование процессов горения с учетом ограничений на макроскопическую кинетику // Тр. конф. Горение твердого топлива, Новосибирск, 2006. С. 156−163.

40. Thermodynamic Equilibria and Extrema: Analysis of Attainability Regions and Partial Equilibria / Gorban A.N., Kaganovich B.M., Keiko A.V. et al. — New York: Springer, 2006. — 291 p.

41. Alternative Modes of Low-Grade Solid Fuel Gasification for Small Scale Applications / Keiko A.V., Shirkalin I.A., Svishchev D.A., Kozlov A.N. // Proc. of 5th Int. conf. Sustainable Energy Technologies, Italy, 2006. P. 525−531.

42. Кейко A.B., Клер A.M. Обоснование приоритетов развития энергетических технологий // Тр. науч. сессии Общего собрания РАН 21.12.2005.-М.: Наука, 2006. — С. 139−153.

43. Технико-экономические проблемы использования нетрадиционной энергетики / Воропай Н. И., Кейко А. В., Клер A.M., Стенников В. А. // Проблемы нетрадиционной энергетики. Мат-лы науч. сессии През. СО РАН, 13.12.2005. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. — С. 32−54.

44. Описание неравновесных процессов в энергетических задачах методами равновесной термодинамики / Каганович Б. М., Кейко А. В., Шаманский В. А., Ширкалин И. А. // Известия РАН. Энергетика, 2006, № 3, С. 64−75.

45. Кейко А. В., Ширкалин И. А., Свищев Д. А. Перспективные режимы газификации низкосортного твердого топлива // Известия РАН. Энергетика, 2006, № 3, С. 55−63.

46. Курс — на децентрализацию / Воропай Н. И., Кейко А. В., Санеев Б. Г. и др. // Мировая энергетика, 2005, № 10, С. 30−32.

47. Разработка концепции управления научно-техническим развитием в энергоснабжении муниципального образования / Берлин A.C., Рыжков А. Ф., Кейко A.B., Силин В. Е. // Энергоанализ и энергоэффективность, 2005, № 4−5, С. 32−35.

48. Кейко A.B. Проблемы развития децентрализованной энергетики России // Мат-лы VI Всеросс. совещ. по энергосбережению, Екатеринбург, 22−25 марта 2005 г. — 2 с.

49. Тенденции развития централизованной и распределенной энергетики / Воропай Н. И., Кейко A.B., Санеев Б. Г. и др. // Энергия, 2005, № 7, С. 2−11.

50. Кейко A.B. Задачи прогнозных исследований технологий распределенной генерации энергии // Тр. V Мелентьевских чтений, Звенигород, 8−9 декабря 2003 г., М., 2004. — С. 225−244.

51. Централизованная и распределенная энергетика, в том числе возобновляемая / Воропай Н. И., Кейко A.B., Санеев Б. Г. и др. // Сб. докл. науч. сессии Президиума СО РАН, 24 февр. 2005. — Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения РАН, 2005. — С. 37−55.

52. Кейко A.B., Бухер Ф. С., Нумов Ю. В. Децентрализованное энергоснабжение на базе технологий газификации твердых топлив: проблемы и перспективы // Энергетическая политика, 2004, № 5, С. 42−43.

53. Кейко A.B., Бухер Ф. С., Наумов Ю. В. Перспективы технологий биомассы в Иркутской области // Тр. 2-й междунар. конф. «Энергия биомассы», Киев, 20−23.09.2004. — Киев: Ин-т теплофизики НАНУ, 2004. -С.113−116.

54. Кейко A.B., Бухер Ф. С., Наумов Ю. В. Децентрализованное энергоснабжение на базе технологий газификации твердых топлив: проблемы и перспективы // Тр. 4-й Междунар. конф. «Малая энергетика — 2004», Москва, 11−13 октября 2004 г. — 15 с.

55. Кейко A.B. Энергетические технологии и проблемы распределенной генерации энергии // Энергетика XXI века. Условия развития, технологии, прогнозы. — Новосибирск: Наука, 2004. — С. 247−258.

56. DME Conversion I. Thermodynamic Consideration / Keiko A.V., Kim En Khva, Yan Yun Bin, Kan Gil E // Japan DME Forum, 2004, No. 4, P. 4−9.

57. Keiko A.V., Filippov S.P. The role of energy sources of different types in atmospheric pollution and heat supply options in Irkutsk city // Proc. of 25th NATO/CCMS Conf. «Air pollution modelling and its applications», Louven-la-Neuve, Belgium, 2001. — 11 p.

58. Системное сопоставление технологий / Кейко А. В., Филиппов С. П., Кучменко Е. В. // Системные исследования проблем энергетики. -Новосибирск: Наука, 2000. — С. 114−134.

59. Физико-химический анализ технологических процессов в энергетике / Кейко А. В., Филиппов С. П., Зубцов В. М. и др. // Системные исследования проблем энергетики. — Новосибирск: Наука, 2000. — С. 58−84.

60. Экспериментальное определение выбросов сажи и ПАУ котельными и домовыми печами / Филиппов С. П., Павлов П. П., Кейко А. В. и др. // Известия РАН. Серия «Энергетика», 2000, N.3, С. 107−117.

61. Кейко А. В., Ширкалин И. А., Филиппов С. П. Вычислительные инструменты для темодинамического анализа. — Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 1999. -47 с.

62. Экологические характеристики теплоисточников малой мощности / Филиппов С. П., Павлов П. П., Кейко А. В. и др. — Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 1999.-48 с.

63. Filippov S.P., Keiko A.V., Pavlov P.P. Fuel processing and combustion: an extreme thermodynamic analysis // AES Journal, 1999, vol. 39, pp. 267−282.

Личный вклад автора.

В первой главе, обобщающей становление и содержание системных технологических исследований в энергетике как научного направления, автору принадлежит систематизация методологии системных исследований и ряд обобщений. Кроме того, автором предложена иерархия задач системных технологических исследований, обоснована их взаимосвязь в рамках данной иерархии, разработана система применяемых критериев и учитываемых ограничений на разных уровнях иерархии. Принципиальная разница между инвестиционным и инновационным подходами при решении задач технического развития обоснована лично автором. Автору принадлежит также обоснование взаимосвязей системных технологических исследований с выработкой государственной научно-технической политики — с одной стороны — и процессами бизнес-планирования — с другой. Автором обобщены методы системного технологического моделирования и обоснованы существенные особенности данного класса моделей в ряду системных энергетических моделей различного назначения.

Во второй главе анализ понятия низкосортного твердого топлива и обсуждение технико-экономического значения признаков этого понятия сделаны автором лично. Также лично автор собрал и систематизировал опубликованные данные о составе и количестве ресурсов низкосортных топлив в разрезе мира и России.

Анализ технико-экономических показателей технологий, ставших предметом рассмотрения в третьей главе, автор выполнил в основном самостоятельно. В разделах, посвященных прямому сжиганию биомассы и угля, автору помогли в сборе информации сотрудники ИСЭМ СО РАН к.т.н. М. В. Ермаков и инж. Ф. С. Бухер.

Работы, изложенные в четвертой главе и посвященные физико-техническому обоснованию перспективных показателей эффективности технологий газификации, выполнены коллективом под руководством автора. Автор лично участвовал в разработке обсуждаемых в диссертации математических моделей и выполнении расчетов на них, проектировании лабораторного стенда, выполнении экспериментов, анализе результатов физического и математического моделирования процессов конверсии. В изготовлении и обслуживании лабораторного стенда ключевую роль сыграли инженеры В. АЛаптев и В. Г. Романовский. При выполнении экспериментальных и инструментальных исследований автор участвовал в планировании экспериментов и разработке методик интерпретации результатов. Непосредственно эксперименты на лабораторном стенде выполнены под руководством инж. Д. А. Свищёва с участием м.н.с. А. Н. Козлова и асп. И. Г. Донского, которым автор неоднократно помогал в качестве рядового оператора. Инструментальные измерения с использованием комплекса синхронного термического анализа выполнены А. Н. Козловым. В выполнении элементного анализа помощь автору оказал д.х.н. В. И. Смирнов (ИрИХ им. А. Е. Фаворского СО РАН), а в хромато-масс-спектрометрическом анализе — д.х.н. А. Г. Горшков (ЛИН СО РАН).

При сопоставлении сравнительной эффективности подходов к моделированию гетерофазных химических процессов и систем автор опирался на личный опыт разработки и применения численных физико-химических моделей. Так, автору принадлежат несколько модификаций моделей экстремальных промежуточных состояний (МЭПС), включая описанные в работе, а также разработка известного среди специалистов программно-вычислительного комплекса NICK для кинетического моделирования химических процессов. Методология построения МЭПС впервые предложена в ИСЭМ СО РАН д.т.н. Б. М. Кагановичем и д.т.н. С. П. Филипповым. Примененные в работе программно-вычислительные инструменты, реализующие МЭПС, разработаны инж. И. А. Ширкалиным и развивают алгоритмы д.т.н. Е. Г. Анциферова. В разработке модели ступенчатой газификации автору существенно помог Д. А. Свищёв.

Расчеты конкурентоспособности технологий малой и распределенной энергетики, на которые ссылается автор, выполнены д.т.н. А. М. Клером, к.т.н. О. В. Марченко и к.т.н. С. В. Соломиным.

При сопоставлении технологий термохимической конверсии с альтернативными технологиями, в частности при составлении сводной таблицы 5.1 и построении диаграмм на рис. 5.1 и 5.2, автор использовал материалы, подготовленные сотрудниками ИСЭМ СО РАН. Данные о технико-экономических показателях технологий на природном газе подготовлены к.т.н. Ю. М. Потаниной, технологий возобновляемой энергетики — О. В. Марченко и С. В. Соломиным, технологий малых АЭСО.В.Марченко, теплонасосных установок — к.т.н. А. Ю. Маринченко. Подготовка указанных данных выполнена сотрудниками ИСЭМ СО РАН по такой же методике, что использована в диссертационной работе. Сама методика, включая состав исследуемых показателей, подход к их интерпретации, оценку источников информации, состав учитываемых факторов и выделение групп модельных потребителей, предложена автором и составляет одно из положений, выносимых на защиту. Сегментация областей конкуренции, отраженная в табл. 5.2, сделана автором совместно с С. П. Филипповым.

Общие тенденции развития энергетических технологий, изложенные в шестой главе, сформулированы автором лично. Анализ институциональной среды технического развития и ее влияния на проникновение новых технологий в экономику также выполнены автором самостоятельно. При исследовании институциональных ограничений автор использовал для практической апробации своего подхода фактические данные о реализованных проектах по модернизации объектов коммунальной энергетики, предоставленные М. В. Ермаковым.

Несмотря на участие в работе большого числа людей, личный творческий вклад автора в системную оценку технологий термохимической конверсии низкосортного твердого топлива оказался координирующим и, в конечном счете, определяющим.

Состав и объем работы.

Работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 427 наименований. Иллюстративный материал включает 62 рисунка и 47 таблиц.

Во введении представлены положения, отражающие актуальность выбранной темы, цели, научную новизну, методологическую основу и практическую значимость диссертационной работы, а также личный вклад автора в ее выполнение. Кроме того, во введении приведен перечень научных форумов, на которых обсуждались отдельные части работы, и перечень публикаций автора по теме работы.

В первой главе диссертационной работы обсуждается становление системных исследований НТП в энергетике, в частности, под влиянием каких причин сформировались постановки задач в рамках данного научного направления. Кроме того, рассмотрено явление научно-технического прогресса в целом: проанализированы признаки, формирующие понятие НТПсопоставлены определенияперечислены и проиллюстрированы на примерах энергетики эффекты, отражающие его сущность. Показано, что представления об НТП включают создание и разработку концепций и парадигм научно-технического развития, служащих для идеализированного представления сложных феноменов в больших антропогенно-обусловленных системах, к каким относится и энергетика, а также для объяснения эффектов циклического развития и смены доминант в технике. Концепции и парадигмы оказывают влияние на техническое развитие и, в свою очередь, подвержены изменениям под влиянием изменений в природе и обществе. Дана оценка явлению НТП как объекту научного изучения. Исследованы подходы к описанию явления НТП, в частности, теории НТП, предложенные в рамках экономических наук. Определено понятие макротехнологии как совокупности различных технологий, объединенных общим принципом. Рассмотрена система критериев, используемых при принятии решений в сфере разработки, оптимизации и внедрения энергетической техники. Совокупность критериев, подлежащих применению, и подлежащих учету ограничений при рассмотрении энергетических технологий систематизирована по масштабу в пространстве и времени. Предложена и обоснована иерархия задач системных технологических исследований в энергетике. Обосновано различие между инновационным и инвестиционным критериями эффективности проектов по разработке и применению новых технологий. Отражена взаимосвязь системных технологических исследований с выработкой государственной технической политики в энергетике, с одной стороны, и их взаимосвязь с задачами бизнес-планирования — с другой. На основе анализа свойств, структуры и областей применения системных энергетических моделей сформулированы признаки, выделяющие системные технологические модели в обособленный класс системных энергетических моделей. Сделан вывод о необходимости разработки системной технологической модели для энергетики России.

Во второй главе рассмотрены признаки, на основании которых топливо можно отнести к числу низкосортных. Выделены существенные из них. Показано, что наличие таких признаков не всегда служит препятствием для эффективного использования топлива. Рассмотрены разновидности технологий, позволяющих использовать твердое топливо, включая низкосортное. Оценены мировые и отечественные ресурсы низкосортных твердых топлив. Показано, что прогнозные объемы этих ресурсов зависят как от критериев низкосортности, так и от уровня развития технологий, применимых для использования низкосортных топлив.

Третья глава диссертационной работы посвящена исследованию технико-экономических показателей технологий термохимической конверсии (преимущественно, газификации), а также ряда смежных технологий, конкурирующих в той же области возможного применения: технологий прямого сжигания и прямого преобразования химической энергии в электрическую (топливных элементов). Обзор технологий последней группы важен в контексте рассмотрения технологий конверсии, поскольку топливные элементы могут работать на генераторном газе от газификации твердых топлив, включая низкосортные. Более того, в большинстве случаев, когда они применяются на природном газе, газ подлежит предварительной конверсии в синтез-газ, аналогичный по составу генераторному газу. Анализ технико-экономических характеристик технологий выполнен на единой методической базе, что обеспечивает их сопоставимость как между собой, так и с характеристиками других технологий получения энергии, полученных на этой же методической базе.

Четвертая глава работы полностью посвящена физико-техническому анализу основных процессов термохимической конверсии, то есть вопросам обусловленности современных и перспективных показателей технической «эффективности технологий и установок физико-химическими особенностями процессов. Сделан обзор современных направлений и методов физико-технических исследований в сфере разработки эффективных процессов конверсии. Отражены направления НИР, которые еще не привели к созданию технологий промышленного уровня. Дана характеристика методов исследований, применяемых в настоящее время при изучении процессов конверсии твердого топлива. Выполнен термодинамический анализ режимов конверсии биомассы. Показаны условия, при которых возможно существенное улучшение эксплуатационных характеристик технологий конверсии. Представлены данные физического моделирования режимов конверсии, полученные с использованием лабораторного стенда. Сделано описание техники эксперимента, методики и результатов. Обсуждены особенности экспериментально воспроизведенных режимов конверсии, включая систематические эффекты снижения управляемости, влияние внешнего подвода тепла в зону реакции, множественности стационарных состояний и др. Изложены результаты работ по совершенствованию методов численного описания процессов конверсии на основе применения моделей экстремальных промежуточных состояний (МЭПС) и использования макрокинетических ограничений в составе МЭПС. Продемонстрирована эффективность МЭПС для реконструкции полей температуры и химического состава по высоте реакционной зоны. Представлены результаты теоретического исследования ступенчатых процессов конверсии, также полученные на основе применения МЭПС с макрокинетическими ограничениями. Обсуждены вопросы управляемости ступенчатого процесса с рециркуляцией продуктов сгорания и/или теплоты. Оценены показатели технической эффективности ступенчатой газификации в режимах с частичной нагрузкой.

Пятая глава посвящена обобщению полученных показателей для макротехнологии термохимической конверсии и оценке ее конкурентоспособности по сравнению с альтернативными технологиями. При этом обеспечено методологическое единство подходов, использованных для получения показателей эффективности технологий термохимической конверсии и альтернативных. Выполнен SWOT-aнaлиз рассмотренных в работе технологий, на основе которого сформулированы «окна возможностей» для проникновения этих технологий в экономику. Представлены результаты расчетов, отражающие количественные показатели конкурентоспособности технологий для различных регионов России.

В шестой главе вопросы проникновения энергетических технологий в экономику обсуждены более широко. Сформулированы и охарактеризованы общие современные тенденции развития энергетических технологий в мире. Дана оценка тому, насколько данные тенденции актуальны для условий России. Исследована институциональная среда технического развития. Показано, что в этой сфере определяющей является роль государства: оно обречено выступать заказчиком и потребителем новых технологий. Представлены примеры, отражающие изменение приоритетов государственной политики в области науки и инноваций. Описан принятый в стране механизм определения приоритетов научно-технической политики. Введено понятие институциональных ограничений при реализации проектов по внедрению новой техники и технологий. На примере коммунальной энергетики, которая выступает наиболее вероятной сферой применения технологий термохимической конверсии, показано существование таких ограничений. Сделаны выводы относительно причин возникновения институциональных ограничений. Обосновано, что учет институциональных ограничений должен стать неотъемлемой частью системных технологических исследований в энергетике.

В заключении кратко перечислены наиболее общие выводы, полученные в ходе выполнения работы. Выводы разделены на три группы: (1) методология системных технологических исследований в энергетике и ее проблемы- (2) актуальные направления развития системных технологических исследований в энергетике Россиии (3) технологии термохимической конверсии низкосортного твердого топлива.

Благодарност и.

Отдельные части настоящей работы получили внешнюю поддержку, в том числе, от Российского фонда фундаментальных исследований (гранты №№ 01−02−16 643, 04−02−27 141, 05−08−1 316, 08−08−293, 09−08−8 140) — в рамках программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Горение и взрыв» (координаторы — ак. РАН А. Г. Мержанов и ак. РАН В.А.Левин), в рамках программ ОЭММПУ РАН «Исследование фундаментальных проблем и разработка математических моделей горения, газовой динамики и теплообмена газообразных и конденсированных сред» (координатор — ак. РАН А.С.Коротеев), «Фундаментальные проблемы горения и детонации в энергетике» (координатор — ак. РАН В. А. Л евин) — в рамках Программы интеграционных проектов Сибирского отделения РАН (комплексный проект «Разработка научно-технических основ формирования экологически чистой угольной теплоэнергетики в Сибирском регионе») — в рамках программы приоритетных исследований СО РАН «Теоретические основы обоснования развития энергетики и энергоэффективных технологий, управления системами энергетики», а также программы «Энергосбережение СО РАН».

Кроме того, автор признателен всем, кто принял участие в обсуждении результатов работы: С. П. Филиппову, В. А. Шаманскому, [Ю.В.Наумову], Ю. В. Полежаеву, Б. М. Кагановичу, А. Ф. Рыжкову, А. М. Клеру, В. М. Масленникову, В. А. Савельеву, М. В. Креславскому и многим другим.

Заключение

.

Выполненное в диссертационной работе исследование позволило сделать ряд выводов, относящихся как к методологии системных технологических исследований и актуальным направлениям их дальнейшего развития, так и к развитию прикладных исследований в области использования процессов термохимической конверсии для вовлечения в оборот ресурсов низкосортных твердых топлив. Следующее ниже изложение полученных выводов структурировано в соответствии с перечисленными областями.

Методология системных исследований НТП в энергетике.

1. Системные технологические исследования являются зрелым и самостоятельным направлением в составе системных исследований в энергетике. Для этого направления сформировался ряд специфических (свойственных только ему) и востребованных обществом задач, образующих определенную иерархию во времени и в пространстве, а также набор методов для решения таких задач.

2. Составляющими системных технологических исследований в энергетике выступают: (а) системная оценка и сопоставление технологий- (б) системное технологическое моделированиеи (в) исследование институциональных ограничений технического развития.

3. Системная оценка и сопоставление энергетических технологий различаются тем, что первая ориентирована на раскрытие потенциала развития одной макротехнологии, а второе — на одновременное исследование замкнутого множества макротехнологий, объединенных общей областью потенциального применения. Состав решаемых при этом задач совпадает.

4. Системное технологическое моделирование является инструментом обоснования решений, в первую очередь, в области формирования государственной технической политики, но также в сфере бизнеса. Целесообразно внедрение методов системного технологического моделирования в практику научно-технического прогнозирования при определении приоритетов научно-технического развития и выработке государственной научно-технической политики в энергетике.

5. Институциональные ограничения зачастую выступают главным препятствием на пути внедрения новой техники и технологий в различных отраслях экономики. Это объективно обусловлено незрелостью рыночной экономики и государственно-правовой системы в России. Систематическое исследование институциональных ограничений является необходимой частью системных исследований в энергетике в целом.

6. Государство обречено выступать заказчиком и потребителем головных образцов новой техники и технологий, тем более в период модернизации своей экономики. При этом важно избежать диктата разработчиков: научно-техническое развитие в энергетике страны должно быть телеологическим (преследовать определенные цели), а не каузальным (быть следствием определенных причин). Единственным рациональным способом обоснования приоритетов научно-технического развития выступает методология системных технологических исследований.

7. Системные технологические исследования вплотную подошли к необходимости учета социологических данных о поведении и предпочтениях потребителей энергии и собственно технологий. Адекватным инструментом для учета этой информации выступают мультиагентные модели. Однако опыт выполнения подобных социологических исследований в стране отсутствует и, кроме того, российский энергетический сектор отличается высокой информационной закрытостью.

Актуальные задачи исследований НТП в энергетике.

1. Требуется переосмысление используемых методических подходов к прогнозированию энергетических технологий и выработка таких способов обоснования решений, чтобы они в лучшей степени отвечали потребностям принятия решений по достоверности, информативности, глубине и своевременности. В первую очередь, следует ориентироваться на научное сопровождение деятельности по осуществлению властных полномочий органами государственной власти.

2. Необходимо развитие технологии термодинамического моделирования и реализация ее методов в форме вычислительных инструментов и простых методик их применения. Особый интерес представляют способы учета макрокинетических ограничений в гетерогенных и пористых (фильтрационных) реагирующих системах. Детальная программа исследований в этой области сформулирована в работе [378].

3. Крайне целесообразна унификация исходной информационной базы, используемой в исследованиях энергетических систем различного уровня. Такая база нашла бы применение не только при исследованиях НТП в энергетике, но и в других, смежных подразделах энергетической науки. Требования к составу и достоверности показателей в составе такой информационной базы, а также методы их получения и интерпретации уже сформированы в рамках системных технологических исследований в энергетике.

4. Целесообразно выполнить работу, в которой был бы выполнен целенаправленный анализ современной институциональной среды развития энергетических технологий. В первую очередь, речь идет о нормативном правовом обеспечении (а) энергетического производства и (б) инноваций в сфере энергетики. Сегодня известно много примеров несогласованности нормативных положений, однако систематическое представление направлений развития законодательства пока не сделано.

5. До сих пор не решены многие вопросы, касающиеся возможных сроков внедрения и оптимальной структуры систем распределенной генерации энергии в России. В первую очередь, это связано с тем, что рыночные механизмы в данной сфере пока не заработали, а, следовательно, требуется выработка системы мер, включая законодательные, направленных на уточнение приоритетов развития малой энергетики в стране.

6. Необходимо продолжить анализ условий применения технологий, которые быстро изменяются под влиянием различных факторов как экономического, так и внеэкономического характера. Например, пока до конца неизвестно, как скажется планируемое расширение малоэтажного строительства на конкурентных свойствах технологий получения и транспорта энергии.

7. Одним из «узких мест» современных системных исследований (в развитие п. 6) является крайне низкая степень систематизации сведений о составе, сегментации и свойствах технологий конечного потребления энергии. Совокупность этих свойств и требований, предъявляемых к ним потребителями, в значительной мере определяет облик перспективной структуры технологий в энергетике России.

8. Целесообразна разработка системной технологической модели для масштаба России. Такая модель может стать востребованным и ценным инструментом обоснования управленческих решений в энергетике страны и ее отдельных регионов.

Термохимическая конверсия низкосортных твердых топлив.

1. Экономически оправданная дальность транспортировки низкосортного твердого топлива существенно ограничивает единичную мощность установок для его энергетического использования.

2. Если свойства низкосортного топлива позволяют эффективно его сжечь, реализация технологий переработки такого топлива в горючий газ нецелесообразна в большинстве случаев. Исключение составляет небольшой круг применений, связанных с обогревом промышленных печей.

3. Наличие признаков, используемых для отнесения топлива к числу низкосортных, не обязательно ограничивают его эффективность как топлива. Наличие таких признаков заставляет более тщательно выбирать технологию для энергетического использования топлива. При этом круг известных технологий термохимической конверсии достаточно широк, чтобы сделать подходящий выбор.

4. Существует потенциальный (неудовлетворенный) спрос на твердотопливные электростанции и мини-ТЭЦ малой единичной мощности — порядка 250−500 кВт (э). Потенциальными потребителями таких установок выступают удаленные потребители электроэнергии на северных территориях Сибири и Дальнего Востока, в настоящее время использующие энергию от дизельных электростанций. Современный объем рынка таких установок составляет около 2600 единиц.

5. Технологии газификации могли бы оказаться востребованными на рынке (п. 4). Для этого необходимо повысить их надежность до уровня готовности не менее 95%, что в настоящее время не достигается.

6. Существенный выигрыш в конкурентоспособности газогенераторных электростанций и мини-ТЭЦ может быть достигнут путем создания безлюдной технологии. Для этого необходимо существенно повысить уровень автоматизации в системах управления такими установками. Другим нововведением, способствующим созданию безлюдной технологии, выступает переход на стандартизованное окускованное топливо.

7. Существенное снижение стоимости разработки установок термохимической конверсии может быть достигнуто путем разработки надежных инженерных методик расчета процессов газификации для произвольных топлив и режимов конверсии. Разработка таких методик в настоящее время сдерживается отсутствием единой теории гетерогенного горения низкосортного топлива. В этой связи актуальны исследования, направленные на разработку формализованных и детерминированных способов теоретического описания гетерофазных превращений.

8. Теоретический (термодинамический) предел повышения эффективности газификации зависит от зольности топлива. Для угля с зольностью порядка 20% максимальный химический КПД процесса составляет около 80%. Для топлива с зольностью порядка 1% (растительная биомасса) он составляет около 86%. Это открывает теоретическую возможность для заметного повышения существующих показателей эффективности конверсии и, соответственно, конкурентных качеств технологии.

9. Наиболее эффективные режимы термохимической конверсии твердого топлива располагаются на границе образования неконвертируемого конденсированного углерода. Это обусловливает специфику управления процессом, требующего тонкой регулировки параметров реакции по ходу процесса.

10. Ключевой характеристикой, определяющей эффективность термохимической конверсии, является термический режим процесса, то есть степень близости условий его протекания к адиабатическим условиям. Перераспределение тепла в пределах установки или рабочей зоны реактора является перспективным способом приблизиться к таким условиям.

11. Снижение управляемости процесса конверсии, наблюдаемое при переработке низкосортных топлив с высоким содержанием окислителя в составе органической массы, по сравнению с качественным топливом, обусловлено наличием неуправляемой стадии внутреннего горения. Процесс конверсии на этой стадии сопровождается умеренными возможностями форсировки и образованием значительного количества смолистых продуктов в паровой фазе.

12. Разработка эффективных систем управления процессом газификации требует создания надежных численных моделей, адекватно прогнозирующих условия образования и разложения смолистых продуктов и спекания топлива в ходе процесса.

13. Ступенчатая схема организации процесса термохимической конверсии способствует улучшению возможностей управления процессом по сравнению с одностадийной схемой. Целесообразно развивать исследования процессов и установок газификации в направлении создания ступенчатых схем. Следует реализовать демонстрационный проект, целью которого стала бы опытно-промышленная апробация ряда перспективных режимов ступенчатой газификации твердого топлива.

14. Ступенчатые схемы, использующие рециркуляцию продуктов сгорания, позволяют в некоторой степени стабилизировать течение процесса конверсии по отношению к естественным вариациям режимных параметров, однако возможности такой стабилизации ограничены. Рециркуляция тепла имеет несколько лучшие возможности стабилизации процесса.