🗊Презентация Доклад_НТС ЕЭС_7 июня 2018_МЭИ

Научно-технологическое развитие (НТР) энергетики определяется следующими основными факторами: 1. Достижениями НТП в энергетике и смежных отраслях (предложение новых технологий и их характеристики). 2. Текущим состоянием энергетики (начальными условиями). (масштабы, структура, техническое и финансовое состояние и т.д.). 3. Спросом на энергию и его характеристиками (объемами, структурой и т.д.). 4. Доступными топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР) и их характеристиками (качество, цена и т.д.). 5. Ресурсными ограничениями (финансовыми, кадровыми и др.). 6. Институциональными требованиями (обеспечение энергетической безопасности, вкл.технологическую независимость, соблюдение природоохранных нормативов, регулирование энергорынков и т.д.).

Перспективы научно-технологического развития энергетики Энергетика индустриального периода: основные итоги развития * (первая половина 20 в. – начало 21 в.)

Основные итоги технологического развития энергетики индустриального периода: 1. Вовлечение в ТЭБ новых крупных источников энергии (нефть, природный газ, ядерная энергия). 2. Крупномасштабное использование новых энергоносителей (электроэнергия, моторные топлива) 3. Централизация энергоснабжения (создание мощных систем электро-, тепло-, газоснабжения). 4. Концентрация энергетического производства (ЭС на 4-6 ГВт). 5. Массовое применение новых энергетических технологий (паровые и газовые турбины, ПГУ, ГПУ и др.). 6. Рост единичных мощностей энергоустановок (ЭУ 0,8-1,2 ГВт). 7. Повышение параметров энергооборудования (температура, давление, электрическое напряжение и т.д.). 8. Снижение выбросов вредных веществ в окружающую среду.

Основная стимулы технологического развития энергетики в 20 веке: Индустриализация, концентрация промышленного производства в городах - рост спроса на электроэнергию промышленностью. Рост населения, урбанизация, повышение жизненного уровня населения (обеспеченность жильем и т.д.) – рост спроса на энергию населением, комбытом и городским электротранспортом. Повышение конкурентоспособности экономики (производительности труда) – рост спроса на качественные энергоносители (электроэнергию, моторные топлива) Повышение конкурентоспособности энергопроизводства (снижение его затратности за счет улучшения технико-экономических показателей энергоустановок с ростом их единичной мощности. Решение социальных проблем - высвобождение низкоквалифицированной рабочей силы в результате закрытие мелких неэффективных электростанций и котельных. Решение экологических проблем городов - оздоровление окружающей среды городов, в т.ч. за счет развития теплофикации на основе крупных ТЭЦ и ликвидации котельных.

Основные тенденции в развитии энергетики индустриального периода: Ресурсную основу энергетики индустриального периода составили органические топлива. На их долю в структуре мирового производства первичной энергии 40 лет назад (в 1973 г.) приходилось 86,7%, в настоящее время эта величина сократилась до 81,1%, т.е. налицо понижательный тренд. До Чернобыльской катастрофы (1986 г.) органические топлива активно вытеснялись ядерной энергией. В последнее десятилетие эту роль выполняют ВИЭ. В настоящее время доля ядерной энергии в мировом TPES составляет 4,8%, а ВИЭ – 14,1% против соответственно 0,9 и 12,4% 40 лет назад. В структуре добываемых в мире органических топлив наблюдается тренд на сокращение доли нефти за счет роста доли природного газа и угля. За период 1973-2014 гг. доля нефти уменьшилась с 46,2 до 31,3%, при этом доля газа увеличилась с 16 до 21,2%, а угля – с 24,5 до 28,6%.

Перспективы научно-технологического развития энергетики Энергетика постиндустриального периода: основные особенности

Спрос на энергию в постиндустриальный период: Снижение темпов роста спроса на энергию. Опережающие темпы роста спроса на электрическую энергию и ужесточения требований к ее качеству и надежности поставок. Децентрализация энергопотребления будет благоприятствовать развитию распределенной генерации, в том числе на базе ВИЭ. Быстрое расширение использования разнообразных автономных устройств (гаджетов, роботов и т.д.) и электротранспорта приведут к взрывному росту мобильной энергетики. Ключевыми технологиями для успешного развития распределенной генерации и мобильной энергетики могут стать электрохимические установки - топливные элементы и аккумуляторы электроэнергии, а также суперконденсаторы. Востребованность систем централизованного энергоснабжения может быть связана с наличием концентрированных энергетических нагрузок, обусловленных продолжением процессов урбанизации и сохранением в больших масштабах крупной промышленности.

Предложение энергии в постиндустриальный период: Рост объемов и географии потребления природного газа (формирование рынка СПГ). Сбываются прогнозы о наступлении «эры метана». Сокращение темпов развития угольной электрогенерации (СО2). Резкое снижение роли нефтетоплива в производстве электроэнергии. Стагнация развития ядерной энергетики. Введение странами «ядерного моратория». Стремительное увеличение объемов использования ВИЭ. Как следствие, усложнение электрических режимов в ЭЭС. На стохастику электропотребления накладывается стохастика электрогенерации на базе ВИЭ. Это создает новые условия для работы электроэнергетики. К стохастике электропотребления электроэнергетика адаптировалась. По первичным энергоресурсам будущая энергетика будет преимущественно «ВИЭ – газовой», по промежуточным энергоносителям – «электро-газовой», а по конечной энергии – «электрической», т.е. реализуется концепция «Электрического мира».

Технологическое развитие энергетики в постиндустриальный период:

Перспективы научно-технологического развития энергетики Глобальные технологические тренды в энергетике (мониторинг НТП в энергетике и смежных отраслях)

Глобальное управление НТП и НТР: НТП является глобальным явлением. Концентрация «финишных» НИОКР и производства наукоемкой продукции в рука небольшого числа крупнейших транснациональных корпораций. Остается все меньше стран, способных самостоятельно разрабатывать и выводить на глобальные рынки новые энергетические технологии. Формируется глобальная технологическая зависимость («новое научно-технологическое рабство»). В мире создана система глобального управления НТП и НТР через международные научно-технологические программы и коллаборации, механизмы слияния/поглощения. Осуществляется массовая «перекачка умов» и развивающихся стран в развитые. Добавленная стоимость достается транснациональным корпорациям и развитым государствам.

Глобальные тенденции в энергетике. Возобновляемая энергетика: В первый период: автономное применение. Сейчас: превалирование «сетевых» решений. Рост единичных мощностей установок ВИЭ-генерация стохастическая по своей природе. ВИЭ не решают, а усугубляют проблему покрытия пиковых мощностей. Пики становятся «рваными». При большой доле в балансе мощности ВИЭ «залазит» в полупик, а затем и в базу, делая их тоже «рваными» («калифорнийская утка» в «стохастическом» исполнении). Электрические режимы становятся труднопредсказуемыми. Стоимость электроэнергии от ВЭС упала до 4-6 центов/кВтч, в Мексике на новых ВЭС – до 2 центов/кВтч. НО! Это стоимость энергии «на установке». Необходимо еще учитывать: - системные эффекты; - общественные эффекты (социальную стоимость энергии - МАГАТЭ); - мультипликативные эффекты (в смежных отраслях экономики, важно для НТП).

Экономическая конкуренция ископаемых топлив и ВИЭ:

Глобальные тенденции в энергетике. Газовая электрогенерация: Падение глобального спроса на энергетические ГТУ мощностью 10 МВт и более: с 75 ГВт/год (850 шт.) в 2011 г. до 50 ГВт/год (500 шт.) в 2016 г. Рост доли крупнейших турбин (300 МВт и более) в спросе (по мощности): с 10% в 2011 г. до 35% в 2016 г. Прогнозируется снижение спроса на большие ГТУ (100 МВт и более): с нынешних 400 шт/год до 110 шт./год. Крупнейшими компаниями поставлена цель преодолеть в ПГУ рубеж КПД нетто 65% в первой половине 2020-х годов. Примеры: Компания Siemens приступила к разработке турбин L-класса, обеспечивающих КПД нетто в ПГУ 65%. Промежуточное решение – создание к 2020 г. турбины промежуточного класса HL с КПД нетто в ГТУ 63%. Компания GE модернизирует ГТУ 9HA.02 с достижением КПД нетто 64% в ПГУ 826 МВт (1х1). Заказы на модернизированную ГТУ начнут приниматься уже в 2018 г. Утверждается, что потенциал совершенствования ГТУ HA-серии позволяет ПГУ на ее основе преодолеть планку в КПД нетто 65%. Надеются, что это произойдет в начале 2020-х годов. Разрабатываются ГТУ сложного цикла в целях повышения КПД установки (до 50% и более), в т.ч. на частичных нагрузках без использования паросилового цикла (Аллам-цикл, цикла Граца и др.).

Перспективы научно-технологического развития энергетики Электроэнергетика России: Текущее состояние

Приоритет реновации «накопленных» мощностей:

Структура электроэнергетики России:

Динамика изменения потребления электроэнергии и мощности по ЕЭС России :

Балансы мощности в часы прохождения максимума электрических нагрузок в 2016 и 2017 гг., ГВт *:

Управление научно-технологическим развитием энергетики: Документы стратегического планирования в энергетике: Новый «майский указ Президента РФ» (2018 г.). Стратегия научно-технологического развития Российской Федерации (утв. Указом Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. № 642) (новый вариант 2017 г.); Доктрина энергетической безопасности (утв. Президентом Российской Федерации 29 ноября 2012 г.); Прогноз научно-технологического развития отраслей ТЭК России на период до 2035 года (утв. приказом Министра энергетики РФ 14 октября 2016 г.). Энергетическая стратегия России до 2035 года (рассм. на заседании Правительства РФ в феврале 2017 г.); Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до 2035 года (утв. распоряжением Правительства Российской Федерации от 9 июня 2017 г. № 1209-р); (рассматриваются электростанции мощностью 500 МВт и более); программы (схемы) развития отраслей ТЭК и др. Прочие документы (как правило, плохо взаимосвязанные программы и инициативы): Национальная технологическая инициатива (в т.ч. «Энерджинет»); государственные программы (в т.ч. энергосбережения); программы импортозамещения, поддержки экспорта высокотехнологичной продукции; Программа поддержки разработки новых технологий и др. программы инновационного развития энергетических компаний и др. ДПМ-2: а) развитие ВИЭ (1 ГВт в год и более), б) модернизация КЭС, в т.ч. газовых на базе ПСУ (пока нет отечественных больших ГТУ). Это выгодно компаниям, но потеряют потребители энергии.

Перспективы научно-технологического развития энергетики Первоочередная задача в электроэнергетике России – глубокое технологическое обновление ТЭЦ

Роль ТЭЦ в электроэнергетике России:

Возрастная структура теплофикационных турбин ТЭЦ общего пользования:

Эффективность работы ТЭЦ России (2016 г.):

Сопоставление комбинированного и раздельного производства электрической и тепловой энергии:

Годовые режимы работы электростанций России: (2016 год)

Оценки необходимой тепловой мощности ТЭЦ

Базовые принципы технологического обновления ТЭЦ: Работа ТЭЦ исключительно по тепловому графику. Использование только отечественного оборудования (или лицензионного с высокой степенью локализации его изготовления на отечественных предприятиях, причем с обязательным освоением производства критически важных элементов и систем). Отечественное оборудование должно быть конкурентоспособным с мировыми аналогами. Перевод угольных ТЭЦ на природный газ с соответствующей заменой оборудования (где это возможно и экономически целесообразно).

Обеспеченность технологического обновления ТЭЦ отечественным оборудованием: Имеются конкурентоспособные отечественные ГТУ мощностью 16-25 МВт (АО ОДК-Авиадвигатель, г. Пермь). КПД в простом цикле 35,5-37,2%, назначенный ресурс 100 тыс. часов. Обеспечивают КИТ 85-86%. Нет конкурентоспособных отечественных ГТУ мощностью менее 16 МВт. АО «РЭП Холдинг» (г. Санкт-Петербург) локализовал производство ГТУ F–класса мощностью 16 и 31 МВт по лицензии GE Oil & Gas (Nuovo Pignone S.p.A.) и ГТУ 21,9 МВт по лицензии Solar Turbines. КПД для ГТУ 31 МВт – 35%, ГТУ 21,9 МВт – 38,9% и ГТУ 16 МВт – 35,9 %. В теплофикационном варианте их использования КИТ превышает 80%. На базе ГТУ 31 МВт предлагаются ПГУ 42 и 84 МВт с КПД 46,7%. Рабочий ресурс 200 тыс. часов. ООО «Русские Газовые Турбины» (г. Рыбинск) по лицензии компании General Electric производит ГТУ 6F.03 мощностью 82 МВт с КПД в простом цикле 36%, в комбинированном цикле (ПГУ-124 МВт и ПГУ-250 МВт) - 55%. ПАО «ОДК-Сатурн» на основе лицензионного соглашения с украинской компанией «Зоря-Машпроект» разработал ГТУ мощностью 110 МВт с КПД 35,2% в простом цикле. В теплофикационном режиме КИТ равен 85%. Работы ведутся с 1991 г. Выпущено 6 серийных машин. Требуются значительные усилия по повышению их надежности и снижению выбросов NOx. Совместное предприятие ООО «Сименс Технологии Газовых Турбин» (г. Санкт-Петербург) производит ГТУ SGT5-2000E мощностью 166-187 МВт с КПД 34,7% в простом цикле. ГТУ относится к достаточно устаревшему поколению E. Предлагаются ПГУ мощностью 250 МВт с КПД 52,4% и мощностью 505 МВт с КПД 52,9%. Производство ГТУ на ЛМЗ свернуто. Имеются предложения по его восстановлению.

Распределение ТЭЦ по величине установленной электрической мощности

Оценки интегральных эффектов модернизации газовых ТЭЦ

Сравнение удельных характеристик газовых ТЭЦ до и после модернизации

Потребности в теплофикационном оборудовании для целей технологического обновления газовых ТЭЦ

Предложения в проект решения (1): Научно-технологические факторы становятся определяющими в дальнейшем развитии энергетики страны и мира. Необходимо обеспечить научно-технологическую независимость ТЭК страны. Ключевой задачей отечественной электроэнергетики в настоящее время следует признать техническое обновление ТЭЦ. Около 75% установленной электрической мощности ТЭЦ находится в работе более 30 лет. Прямым следствием эксплуатации устаревших ТЭЦ являются большие производственные расходы и соответствующие им высокие тарифы на тепловую энергию, а также низкая надежность поставок энергии потребителям и загрязнение окружающей среды городов. Необходимо в кратчайшие сроки разработать две государственные программы: 1) Программу технологического обновления ТЭЦ и 2) Программу развития отечественного энергетического газотурбостроения. Их реализацию целесообразно осуществлять на условиях государственно-частного партнерства. Техническое обновление ТЭЦ должно осуществляться исключительно на основе отечественного оборудования. Модернизацию нужно начинать с ТЭЦ небольшой и средней мощности, которая уже практически полностью обеспечена современным отечественным оборудованием. Одновременно следует незамедлительно начать разработку конкурентоспособных отечественных ГТУ. Особого внимания и государственной поддержки требует создание ГТУ средней и большой мощности. Технологическое обновление газовых ТЭЦ обеспечит ежегодную экономию около 15-17 млн.т у.т. Повысится надежность теплоснабжения потребителей. Будут уменьшены эксплуатационные затраты и откроются возможности для снижения тарифов на тепловую энергию.

Предложения в проект решения (2): Модернизации ТЭЦ должна стать первостепенной заботой государства, поскольку ТЭЦ а) выполняют важнейшую социальную функцию – обеспечивают теплом около половины населения страны, не имеющих других источников теплоснабжения, и б) являются важнейшим элементом национальной безопасности – обеспечивают функционирование всех систем жизнеобеспечения в зимних условиях, что для северной страны имеет критическое значение. Программа технологического обновления ТЭЦ обладает огромными мультипликативными эффектами в смежных отраслях экономики. Необходимо интенсифицировать исследование в области научно-технологического развития энергетики страны, включая а) развитие соответствующей методологии (системно-технологических исследований), б) создания необходимого компьютерного инструментария (цифровых систем обработки больших данных и выработки обоснованных решений), в) формирования системы мониторинга НТП в энергетике и смежных отраслях и г) определения критических для энергетики страны технологий и обоснования организации соответствующих НИОКР. Требует дальнейшего развития нормативно-правовая база в целях обеспечения реализации действенной научно-технологической политики в энергетике и создания эффективной инновационной системы. Следует обратить внимание на целесообразность организации подготовки специалистов в области системно-технологических исследований в энергетике.