Инновационные материалы – основа японской энергетической дорожной карты «HONEBUTO»

Японский профессор Юкитака Като в сентябре минувшего года принимал участие в восьмой международной конференции по тепловым трубам, которая состоялась на базе Института тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси. Он любезно согласился на публикацию своего материала на сайте Energobelarus.by

Японские инженеры из подразделения прикладной энергетики Общества химиков-технологов разработали энергетическую дорожную карту под названием «HONEBUTO», в которой освещается возможный путь развития энергетических технологий и исследований в недалеком будущем. В данной работе осуществляется обзор и оценка предлагаемых технологий. Авторы работы выдвинули ряд технологических предложений, а также экспериментальную дорожную карту, основанную на ключевых положениях специализированных областей исследования. Их предложения были включены в концепцию идеального энергетического общества, которое получило название «город мечты HONEBUTO». Еще одним результатом проделанной работы стал Устав «HONEBUTO», который является дополнением к дорожной карте. Возможность практического применения предлагаемых технологий оценивалась путем изучения их влияния на сокращение выбросов углекислого газа. В результате обсуждения данных вопросов был сделан вывод о важности разработки инновационных материалов  для создания будущего экологически устойчивого общества.

Введение

В 21-ом веке социальные проблемы приобретают глобальные масштабы. Примером тому могут служить вопросы энергоснабжения и энергопотребления. Для преодоления возникших трудностей необходимо отказаться от системы мировоззрения 20-ого века, когда наука и технологии рассматривались в рамках локального и индивидуального, и обратиться к образу мышления века 21-ого. Новое столетие требует от человечества исключительной дальновидности в вопросах обеспечения электроэнергией. Для определения пути развития энергетических технологий в будущем, полезной и даже необходимой окажется соответствующая дорожная карта.

Большинство дорожных карт, которые предлагались ранее, касались преимущественно сферы экономики и государственного управления (Департамент природных ресурсов и энергетики, Япония, 2004; Министерство экономики, торговли и промышленности, 2006). Хотя химические технологии могут решить многие проблемы энергетики, они редко получали должное освещение в дорожных картах. Специалисты подразделения прикладной энергетики в Обществе химиков-технологов (Япония) постарались создать новую программу, которая затрагивала бы актуальные вопросы данной отрасли. Проект был представлен членами подразделения, а его результаты получили название «Дорожная карта HONEBUTO» (Камеяма и Като, 2005).

Японское слово «HONEBUTO» состоит из двух иероглифов кандзи – «HONE» («кость») и «BUTO» («крепкий, толстый») – и означает «с широкими или крепкими костями». Программа получила такое название, потому что содержит решительные и убедительные предложения в области энергетики, связанные с развитием химических технологий, независимые от господствующих в обществе тенденций и основанные на рациональном научном мировоззрении. Ее целью является определение дальнейшего курса развития энергетических технологий и разработка нового законодательства для максимально эффективного использования энергии, обеспечиваемого с помощью химических технологий.

Уникальность данной программы заключается в том, что период реализации выдвинутых в ней предложений составляет от 5 до 30 лет, поскольку такой временной отрезок позволяет с достаточной точностью предсказывать тенденции развития и вносить необходимые изменения.  Всего в проекте было представлено 34 дорожные карты в области энергетики. Результатом их объединения стал Устав «HONEBUTO» и концепция «города мечты HONEBUTO». Данная работа описывает процесс создания, а также результаты реализации проекта.

1. Структура дорожной карты

1.1.Технологические области, затронутые в дорожной карте

Вопросы, затронутые в дорожной карте, касались преимущественно деятельности самого подразделения.  Освещаемые в карте технологии были разделены на 4 категории, а именно:

(1)     Рациональное преобразование энергии – высокоэффективное преобразование энергии –

(2)     Полное потребление эксергии тепла – высокоэффективное использование тепла

(3)     «Город мечты HONEBUTO» с  максимально рациональным использованием энергии – энергетически симбиотическое общество –

(4)     Обзор энергетической карты

Категории (1) и (2) включают в себя вопросы разработки эффективных технологий преобразования энергии, хранения термальной энергии и регулирования ее использования. Категория  (3) отображает процесс исходной организации энергоснабжения и взаимодействие между социальными группами с целью рационального потребления энергетических ресурсов. Категория (4) освещает весь процесс – от получения первичной энергии до потребления и  выделения парниковых газов.

Выбор тем, затронутых в работе, обусловлен направлениями деятельности участников проекта и не охватывает все существующие энерготехнологии. Представленная дорожная карта никоим образом не умаляет важности других энергетических технологий, не получивших освещения в данной работе. Напротив, в будущем содержащиеся в программе предложения должны реализовываться в совокупности с другими технологическими решениями.

1.2 Структура выдвигаемых предложений

Авторы дорожных карт должны были использовать стандартные заголовки в тексте своих работ, чтобы сохранить логичность построения выдвигаемых предложений. Единая форма изложения, отображаемая на изображении 1, также должна была соблюдаться в каждой теме. Дорожная карта состоит из ключевых терминов и хронологического процесса развития той или иной технологии, который включает в себя следующие пункты:

1. Нынешнее положение дел: текущий уровень развития технологий.

2. Цели: требуемые или ожидаемые результаты в ближайшие 5 лет, а также конечная цель. Период достижения конечной цели составляет примерно 30 лет (около 2030 года).

3. Определение существующих проблем, решение которых приведет к осуществлению конечной цели.

4. Возможные решения существующих проблем: требуемые или желательные методики, используемые для продвижения технологического прогресса.

5. Последствия модернизации: ожидаемый эффект, указанный в количественных показателях. Сокращение выброса углекислого газа является первым в списке используемых терминов.

6.    Осуществление мечты и оправдание надежд. Мечты и надежды, которые сбудутся благодаря разработке и усовершенствованию революционных технологий. 

7.  Цель общества: наиболее подходящая манера поведения, необходимая для создания идеального, энергетически сбалансированного общества.

2.      Технологические вопросы, поднятые в работе

В категории (1) освещались проблемы реакторостроения, топливных элементов, переносчиков водорода, преобразования горючего, газификации угля, производства и переработки биомасс.

Вопрос о важности развития технологий реакторостроения для эффективного осуществления химических реакций и  разработки новых материалов поднимался уже не раз (Миура и Кавазе, 2005). В частности, для возврата энергии ученые предложили использовать эндотермические каталитические реакции (Саито, 2005) и микрореакторы (Сакураи, 2005)  в неравновесных условиях. Для распространения полиэлектролитных мебранных (Уаки, 2005), твердооксидных (Ихара,2005) и прямых метанольных (Накагава, 2005b) топливных элементов исследователи предлагают оптимизировать конструкцию ячеек, повысить их срок службы,  улучшить способность функционирования при повышении температуры и сократить затраты производства. Сокращение стоимости получения водорода может осуществляться за счет создания неравновесных условий при преобразовании топлива (Ясуда, 2005).

В создании передовой интегрированной системы газификации угля может помочь комбинация реактора для газификации  и  твердооксидных топливных элементов (Хаяши, 2005). Развитие системы получения энергии с помощью биомасс требует создания небольшой децентрализованной системы совместного производства и торговли биомассами (Матсумара, 2005). Кроме того, было отмечено, что усовершенствование абсорбционного теплового насоса для регенерации отходящего тепла делает необходимым использование новых материалов для создания промывочных жидкостей (Танака, 2005).

Категория (2) освещала вопросы регулирования потребления термальной энергии в транспорте, при кондиционировании воздуха и хранении тепла. Проблемы хранения скрытого и сухого тепла, функционирования адсорбционных и термохимических насосов обсуждались с точки зрения использования систем и материалов для аккумулирования тепловой энергии.

Было особо отмечено, что для рационального регулирования потребления термальной энергии и совершенствования эффективности расхода топлива в транспорте исключительно полезной окажется система аккумулирования тепловой энергии с широким диапазоном температур. Также было подчеркнуто, что высушивание – одна из самых малоэффективных процедур в работе механического теплового насоса – нуждается в повышении эффективности при помощи десикантов, то есть поглотителей влаги (Китахара, 2005). Кроме того, рациональная система хранения тепла с использованием водоносных пластов и буровых скважин может привести к сокращению потребления первичной энергии – однако она требует ряда усовершенствований с учетом особенностей японского ландшафта и климата (Нагано, 2005). Важным средством обеспечения эффективного аккумулирования теплоты могут послужить материалы с фазовым переходом, поэтому разработка новых разновидностей и усовершенствование уже существующих является ключевым элементом процесса утилизации отходящего тепла (Хидака и Каубокава, 2005; Какиучи, 2005). Для улучшения работы адсорбционных насосов и охлаждающих теплообменников японские ученые предлагают использовать эффективные материалы с высокой поглотительной способностью, теплоотдачей и массопереносом в слое адсорбента (Кубота и Ватанабе, 2005; Кумита, 2005). Эффективным при кондиционировании воздуха также может оказаться переход от изэнтропического к изотермическому высушиванию (Кодама, 2005).

В усовершенствовании термохимических насосов ключевую роль может сыграть разработка материалов, обеспечивающих высокую производительность насоса, долговечность реагирующих веществ, а также эффективную теплоотдачу и массоперенос. При этом интенсификация теплоотдачи и массопереноса играют важную роль при химической конверсии энергии. Для оптимизации таких систем ученые предлагают использовать композитные материалы из твердого реагента с расширенным графитом и катализатором на основе пластинчатого пористого оксида алюминия (Камеяма, 2005а; Фудзиока, 2005).

            Категория (3) освещала предложения по созданию энергетически сбалансированного общества, развитию производства лесных биомасс, минимизации выбросов углекислого газа, формированию локальных систем совместного производства теплоты и электроэнергии TONARIGUMI, налаживанию сотрудничества между представителями отрасли и оптимизации городской системы энергоснабжения. В данном разделе особо подчеркивалась важность установления конструктивных отношений между отдельными социальными группами.

Для создания общества, построенного на возобновляемых источниках энергии, необходимо ввести режим ограниченного потребления энергии с высоким коэффициентом полезного действия (Накагава, 2005а). Данная концепция получила название «общество ограниченного потребления». Развитие сельского, лесного и рыбного хозяйства может быть оживлено за счет каскадной утилизации лестных и других биомасс (Кумазаки, 2005). Как подчеркивается в программе, комплексное регулирование переработки лесных биомасс и других видов отходов может внести существенный вклад в сокращение объемов энергопотребления в Японии (Хорио и Нода, 2005).  Примером возможности использования механизмов нулевого выброса углекислого газа, основанной на использовании гидроэнергетики, стала система на острове Якусима, префектура Кагосима (Уэмура и Каи, 2005). С целью регулирования нагрузки на электроэнергетическую сеть ученые предлагают создать местные системы совместного производства теплоты и электроэнергии TONARIGUMI, отличающиеся высокой производительностью и сравнительно низкой стоимостью (Низацуми, 2005). Снижение выбросов парниковых газов в сфере промышленности может быть достигнуто за счет налаживания торгового сотрудничества между отраслями и преобразованием устаревшего индустриального комплекса в международный, конкурентноспособный и производительный (Камеяма, 2005b).

Для усовершенствования системы энергопотребления авторы дорожной карты предлагают использовать методики комплексного анализа (Аихара, 2005). При этом ключом к созданию экологически устойчивого общества является усовершенствование законодательной базы, принятие идеи общественностью, а также обеспечение конструктивного диалога между гражданами, правительством и учеными (Огура, 2005b). 

Категория (4) содержит обзор тенденций развития энергоснабжения в Японии (Огава, 2005), национального рынка вторичных энергоресурсов (Сато, 2005), мировой системы получения водородной энергии (Фукуда и Ивабучи, 2005), а также взгляды на будущее ядерной энергетики страны (Матсуи, 2005).

3.   Устав энергетической дорожной карты «HONEBUTO»

Авторы программы обсуждали возможность создания идеально сбалансированного с точки зрения энергетики общества на основе предложений, выдвинутых в дорожной карте. С согласия всех участников был составлен комплексный Устав «HONEBUTO», включающий в себя 5 основных предложений:

Предложение 1: Осознание того факта, что человек является частью природы, и вытекающей из него необходимости максимально эффективного использования энергии как подарка природы.

Предложение 2: Разработка рациональных способов преобразования энергии и создание эффективных энергетических цепей для продвижения новых деловых возможностей.

Предложение 3: Поиск новых материалов для оптимизации процесса преобразования, хранения и передачи энергии.

Предложение 4: Стремление к формированию энергетически синергического общества, рационально использующего энергоресурсы.

Предложение 5: Усовершенствование традиционного образа жизни общества путем принятия некоторых неудобств, связанных с ограничениями при энергопотреблении.

Концепция «города мечты HONEBUTO» состоит из двух частей: городской сектор и экологически нейтральный сектор. В прямоугольных фигурах содержатся названия технологий, предложенных к использованию в энергетической карте. В качестве первичных источников энергии используются ископаемые и возобновляемые виды топлива. Для обеспечения эффективной подачи первичной энергии планируется создать крупномасштабные конверсионные установки, использующие технологии газификации угля, а также системы переносчиков водорода. В городской зоне электричество и водород подаются из главной энергораспределительной сети. К их основным потребителям относят промышленный сектор, сферу бизнеса, транспорт, жилой комплекс и информационные системы. Стабильная энергетическая система подразумевает использование системы совместного производства теплоты и электроэнергии, аккумулирования и перекачки теплоты, а также торговли энергетическими ресурсами как между отдельными отраслями промышленности, так и отдельными регионами (так называемая система TONARIGUMI). Энергосберегающее кондиционирование с использованием высушивающих средств является непременным условием создания идеальных условий проживания в городской зоне. Переработка биомасс и отходов производства также может оказаться полезным в урбанистическом районе. В сфере использования информационных технологий – мобильных телефонов, персональных компьютеров и персональных информационных систем – основными преобразователями энергии должны стать топливные ячейки. В сельском, лесном и рыбном хозяйстве может быть создана экологически нейтральная система на основе использования древесных биомасс. С точки зрения устойчивого развития чрезвычайно важно, чтобы потребители адаптировали свои модели потребления в соответствии с периодами максимального потребления электроэнергии. Безусловно, это потребует от граждан изменения некоторых привычек в большей или меньшей степени. Однако для создания таких «городов мечты» требуются развитые технологии энергосбережения, согласие общественности, усовершенствование методик химического реакторостроения, а также научно-исследовательская работа в области инновационных материалов. Основой реализации данной концепции должно стать сотрудничество между рядовыми гражданами, властями и учеными.

3.      Влияние предложенных технологий на сокращение выбросов углекислого газа

Влияние предложенных в программе технологий на сокращение объемов выброса углекислого газа оценивалось на основе прогнозируемой пользы, которую может принести их применение (Кубота и Като, 2005).

Ученые оценивали возможное влияние используемых технологий в 2010 и 2030 году. Оценка эффективности выполнения краткосрочных целей была назначена на 2010 год; 2030 год был определён исходя из предположения, что к данному периоду предлагаемые технологии будет освоены максимально эффективно. В каждой теме анализировалась прогнозируемая степень снижения выбросов парниковых газов, основой для чего стал опубликованный японским правительством доклад о спросе и предложении на энергоресурсы в стране в ближайшее время (Департамент природных ресурсов и энергетики Японии, 2004). Сокращение выбросов  углекислого газа при производстве электричества, обусловленное использованием инновационных технологий, оценивалось примерно в 0,478 кг-C0₂/ кВт/ч (при этом за основу была взята производительность завода, работающего на природном газу).

Ожидалось, что к 2010 году данный показатель составит 41,3 метрических тонн в год (то есть 3,4% от общего объема выбросов), а к 2030 году он должен возрасти до 271 метрических тонн в год (что составляет 22,5% от текущего объема выбросов и 11% от уровня 1990 года).

Согласно Киотскому протоколу власти Японии планировали сократить объемы выбросов до 6% от уровня 1990 года. Предложенные технологии обладали достаточным потенциалом, чтобы достичь поставленной цели. Они были категоризированы по следующим секторам: энергоснабжение, транспорт, общественный сектор и промышленность. Водородные системы в общественном и транспортном секторах не учитывают выбросов, производимых при производстве водорода из первичных источников энергии. За счет внедрения ядерной энергетики и переработки биомасс и отходов в секторе энергоснабжения планировалось сократить объем выбросов углекислого газа на 87%. Оказалось, однако, что внедрение инновационных технологий хранения и передачи тепла и создание систем совместного производства теплоты и электроэнергии (на долю которых отводилось 8%) требует больше времени, необходимого для развития рынка. В 2030 году крупнейшим сектором станет переработка биомасс и отходов, доля которой должна предположительно составить около 47%.  Доля ядерной энергетики достигнет 20%, технологий аккумулирования и передачи тепла и комбинированного производства – 23%. Торговые отношения между отдельными отраслями промышленности также должны принести пользу в виде 6-процентного сокращения уровня выбросов углекислого газа. Местные системы совместного производства тела и энергии, кондиционирование с использованием влагопоглотителей и термохимическая перекачка тепла также должны сыграть существенную роль.

5.   Стратегия продвижения предложенных технологий

Как видно из изображения 1, все выдвинутые предложения рассматривались авторами дорожной карты всесторонне и комплексно. Для определения технических задач, проблем и их решений были определены ключевые термины. В результате обсуждения программы данные термины были категоризированы и систематизированы в дорожной карте. Результаты систематизации отображены в таблице 2, которая представляет стратегию технологического развития для создания «города мечты HONEBUTO».

Общая цель заключается в создании «города мечты HONEBUTO» – экологически устойчивого города с высокой производительностью, малой нагрузкой на окружающую среду и энергией в качестве подарка природы. Средства реализации данного проекта должны быть малозатратными, высокоэффективными, высококачественными и сверхнадежными. Технологические решения должны быть простыми, лаконичными, эффективными, высокомощными, широко применимыми, долгосрочными и стабильными. Для их внедрения потребуется использование инновационных методик в сфере разработки катализаторов, электролитов, усовершенствования процесса химического преобразования энергии и ее хранения. Огромное значение также имеет изоляция, разработка микрореакторов и гибридных материалов, а также процесс теплопередачи и массопереноса.  

При разработке гибридных технологий ключевую роль играет создание гетерогенных композитных материалов. Кроме того чрезвычайную важность представляют методики  моделирования при создании химических реакторов и имитации механизмов их работы. Развитие требуемых технологий должно осуществляться на основе классификации материалов, конструирования химических реакций и анализа их протекания, а также разработки методик теплообмена и массопередачи.  Создание инновационных материалов является залогом успешного внедрения представленной дорожной карты. Несмотря на то, что данное направление сейчас активно разрабатывается, сфере энергетики до недавнего времени уделялось недостаточное внимание. 

Заключение

Авторы дорожной карты подняли актуальный вопрос о необходимости разработки инновационных материалов для модернизации сектора энергетики с помощью предложенных технологий. Производство таких материалов поможет в реализации многих технологических решений, выпуске передовых продуктов и, следовательно, создании «города мечты HONEBUTO». Впоследствии данные материалы могут стать основой для реализации других проектов.  Результатом внедрения текущей программы должно стать основание Международного симпозиума по инновационным материалам в сфере энергетических систем. Поспособствовать этому должны технологии химической инженерии.

Юкитака Като, журнал «Прикладная химия» (Япония, 2007)

перевод с английского – Наталья Пристром