»нновационные материалы Ц основа €понской энергетической дорожной карты ЂHONEBUTOї

»нновационные материалы Ц основа €понской энергетической  дорожной карты ЂHONEBUTOї

японский профессор ёкитака  ато в сент€бре минувшего года принимал участие в восьмой международной конференции по тепловым трубам, котора€ состо€лась на базе »нститута тепло- и массообмена им. ј.¬.Ћыкова Ќациональной академии наук Ѕеларуси. ќн любезно согласилс€ на публикацию своего материала на сайте Energobelarus.by

японские инженеры из подразделени€ прикладной энергетики ќбщества химиков-технологов разработали энергетическую дорожную карту под названием «HONEBUTO», в которой освещаетс€ возможный путь развити€ энергетических технологий и исследований в недалеком будущем. ¬ данной работе осуществл€етс€ обзор и оценка предлагаемых технологий. јвторы работы выдвинули р€д технологических предложений, а также экспериментальную дорожную карту, основанную на ключевых положени€х специализированных областей исследовани€. »х предложени€ были включены в концепцию идеального энергетического общества, которое получило название «город мечты HONEBUTO». ≈ще одним результатом проделанной работы стал ”став «HONEBUTO», который €вл€етс€ дополнением к дорожной карте. ¬озможность практического применени€ предлагаемых технологий оценивалась путем изучени€ их вли€ни€ на сокращение выбросов углекислого газа. ¬ результате обсуждени€ данных вопросов был сделан вывод о важности разработки инновационных материалов  дл€ создани€ будущего экологически устойчивого общества.

 

¬ведение

¬ 21-ом веке социальные проблемы приобретают глобальные масштабы. ѕримером тому могут служить вопросы энергоснабжени€ и энергопотреблени€. ƒл€ преодолени€ возникших трудностей необходимо отказатьс€ от системы мировоззрени€ 20-ого века, когда наука и технологии рассматривались в рамках локального и индивидуального, и обратитьс€ к образу мышлени€ века 21-ого. Ќовое столетие требует от человечества исключительной дальновидности в вопросах обеспечени€ электроэнергией. ƒл€ определени€ пути развити€ энергетических технологий в будущем, полезной и даже необходимой окажетс€ соответствующа€ дорожна€ карта.

Ѕольшинство дорожных карт, которые предлагались ранее, касались преимущественно сферы экономики и государственного управлени€ (ƒепартамент природных ресурсов и энергетики, япони€, 2004; ћинистерство экономики, торговли и промышленности, 2006). ’от€ химические технологии могут решить многие проблемы энергетики, они редко получали должное освещение в дорожных картах. —пециалисты подразделени€ прикладной энергетики в ќбществе химиков-технологов (япони€) постарались создать новую программу, котора€ затрагивала бы актуальные вопросы данной отрасли. ѕроект был представлен членами подразделени€, а его результаты получили название «ƒорожна€ карта HONEBUTO» ( аме€ма и  ато, 2005).

японское слово «HONEBUTO» состоит из двух иероглифов кандзи – «HONE» («кость») и «BUTO» («крепкий, толстый») – и означает «с широкими или крепкими кост€ми». ѕрограмма получила такое название, потому что содержит решительные и убедительные предложени€ в области энергетики, св€занные с развитием химических технологий, независимые от господствующих в обществе тенденций и основанные на рациональном научном мировоззрении. ≈е целью €вл€етс€ определение дальнейшего курса развити€ энергетических технологий и разработка нового законодательства дл€ максимально эффективного использовани€ энергии, обеспечиваемого с помощью химических технологий.

”никальность данной программы заключаетс€ в том, что период реализации выдвинутых в ней предложений составл€ет от 5 до 30 лет, поскольку такой временной отрезок позвол€ет с достаточной точностью предсказывать тенденции развити€ и вносить необходимые изменени€.  ¬сего в проекте было представлено 34 дорожные карты в области энергетики. –езультатом их объединени€ стал ”став «HONEBUTO» и концепци€ «города мечты HONEBUTO». ƒанна€ работа описывает процесс создани€, а также результаты реализации проекта.

 

1. —труктура дорожной карты

1.1.“ехнологические области, затронутые в дорожной карте

¬опросы, затронутые в дорожной карте, касались преимущественно де€тельности самого подразделени€.  ќсвещаемые в карте технологии были разделены на 4 категории, а именно:

(1)     –ациональное преобразование энергии – высокоэффективное преобразование энергии –

(2)     ѕолное потребление эксергии тепла – высокоэффективное использование тепла

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

(4)     ќбзор энергетической карты

 атегории (1) и (2) включают в себ€ вопросы разработки эффективных технологий преобразовани€ энергии, хранени€ термальной энергии и регулировани€ ее использовани€.  атегори€  (3) отображает процесс исходной организации энергоснабжени€ и взаимодействие между социальными группами с целью рационального потреблени€ энергетических ресурсов.  атегори€ (4) освещает весь процесс – от получени€ первичной энергии до потреблени€ и  выделени€ парниковых газов.

¬ыбор тем, затронутых в работе, обусловлен направлени€ми де€тельности участников проекта и не охватывает все существующие энерготехнологии. ѕредставленна€ дорожна€ карта никоим образом не умал€ет важности других энергетических технологий, не получивших освещени€ в данной работе. Ќапротив, в будущем содержащиес€ в программе предложени€ должны реализовыватьс€ в совокупности с другими технологическими решени€ми.

 

1.2 —труктура выдвигаемых предложений

јвторы дорожных карт должны были использовать стандартные заголовки в тексте своих работ, чтобы сохранить логичность построени€ выдвигаемых предложений. ≈дина€ форма изложени€, отображаема€ на изображении 1, также должна была соблюдатьс€ в каждой теме. ƒорожна€ карта состоит из ключевых терминов и хронологического процесса развити€ той или иной технологии, который включает в себ€ следующие пункты:

1. Ќынешнее положение дел: текущий уровень развити€ технологий.

2. ÷ели: требуемые или ожидаемые результаты в ближайшие 5 лет, а также конечна€ цель. ѕериод достижени€ конечной цели составл€ет примерно 30 лет (около 2030 года).

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

4. ¬озможные решени€ существующих проблем: требуемые или желательные методики, используемые дл€ продвижени€ технологического прогресса.

5. ѕоследстви€ модернизации: ожидаемый эффект, указанный в количественных показател€х. —окращение выброса углекислого газа €вл€етс€ первым в списке используемых терминов.

6.    ќсуществление мечты и оправдание надежд. ћечты и надежды, которые сбудутс€ благодар€ разработке и усовершенствованию революционных технологий. 

7.  ÷ель общества: наиболее подход€ща€ манера поведени€, необходима€ дл€ создани€ идеального, энергетически сбалансированного общества.

2.      “ехнологические вопросы, подн€тые в работе

¬ категории (1) освещались проблемы реакторостроени€, топливных элементов, переносчиков водорода, преобразовани€ горючего, газификации угл€, производства и переработки биомасс.

¬опрос о важности развити€ технологий реакторостроени€ дл€ эффективного осуществлени€ химических реакций и  разработки новых материалов поднималс€ уже не раз (ћиура и  авазе, 2005). ¬ частности, дл€ возврата энергии ученые предложили использовать эндотермические каталитические реакции (—аито, 2005) и микрореакторы (—акураи, 2005)  в неравновесных услови€х. ƒл€ распространени€ полиэлектролитных мебранных (”аки, 2005), твердооксидных (»хара,2005) и пр€мых метанольных (Ќакагава, 2005b) топливных элементов исследователи предлагают оптимизировать конструкцию €чеек, повысить их срок службы,  улучшить способность функционировани€ при повышении температуры и сократить затраты производства. —окращение стоимости получени€ водорода может осуществл€тьс€ за счет создани€ неравновесных условий при преобразовании топлива (ясуда, 2005).

¬ создании передовой интегрированной системы газификации угл€ может помочь комбинаци€ реактора дл€ газификации  и  твердооксидных топливных элементов (’а€ши, 2005). –азвитие системы получени€ энергии с помощью биомасс требует создани€ небольшой децентрализованной системы совместного производства и торговли биомассами (ћатсумара, 2005).  роме того, было отмечено, что усовершенствование абсорбционного теплового насоса дл€ регенерации отход€щего тепла делает необходимым использование новых материалов дл€ создани€ промывочных жидкостей (“анака, 2005).

 атегори€ (2) освещала вопросы регулировани€ потреблени€ термальной энергии в транспорте, при кондиционировании воздуха и хранении тепла. ѕроблемы хранени€ скрытого и сухого тепла, функционировани€ адсорбционных и термохимических насосов обсуждались с точки зрени€ использовани€ систем и материалов дл€ аккумулировани€ тепловой энергии.

Ѕыло особо отмечено, что дл€ рационального регулировани€ потреблени€ термальной энергии и совершенствовани€ эффективности расхода топлива в транспорте исключительно полезной окажетс€ система аккумулировани€ тепловой энергии с широким диапазоном температур. “акже было подчеркнуто, что высушивание – одна из самых малоэффективных процедур в работе механического теплового насоса – нуждаетс€ в повышении эффективности при помощи десикантов, то есть поглотителей влаги ( итахара, 2005).  роме того, рациональна€ система хранени€ тепла с использованием водоносных пластов и буровых скважин может привести к сокращению потреблени€ первичной энергии – однако она требует р€да усовершенствований с учетом особенностей €понского ландшафта и климата (Ќагано, 2005). ¬ажным средством обеспечени€ эффективного аккумулировани€ теплоты могут послужить материалы с фазовым переходом, поэтому разработка новых разновидностей и усовершенствование уже существующих €вл€етс€ ключевым элементом процесса утилизации отход€щего тепла (’идака и  аубокава, 2005;  акиучи, 2005). ƒл€ улучшени€ работы адсорбционных насосов и охлаждающих теплообменников €понские ученые предлагают использовать эффективные материалы с высокой поглотительной способностью, теплоотдачей и массопереносом в слое адсорбента ( убота и ¬атанабе, 2005;  умита, 2005). Ёффективным при кондиционировании воздуха также может оказатьс€ переход от изэнтропического к изотермическому высушиванию ( одама, 2005).

¬ усовершенствовании термохимических насосов ключевую роль может сыграть разработка материалов, обеспечивающих высокую производительность насоса, долговечность реагирующих веществ, а также эффективную теплоотдачу и массоперенос. ѕри этом интенсификаци€ теплоотдачи и массопереноса играют важную роль при химической конверсии энергии. ƒл€ оптимизации таких систем ученые предлагают использовать композитные материалы из твердого реагента с расширенным графитом и катализатором на основе пластинчатого пористого оксида алюмини€ ( аме€ма, 2005а; ‘удзиока, 2005).

             атегори€ (3) освещала предложени€ 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 представител€ми отрасли и оптимизации городской системы энергоснабжени€. ¬ данном разделе особо подчеркивалась важность установлени€ конструктивных отношений между отдельными социальными группами.

ƒл€ создани€ общества, построенного на возобновл€емых источниках энергии, необходимо ввести режим ограниченного потреблени€ энергии с высоким коэффициентом полезного действи€ (Ќакагава, 2005а). ƒанна€ концепци€ получила название «общество ограниченного потреблени€». –азвитие сельского, лесного и рыбного хоз€йства может быть оживлено за счет каскадной утилизации лестных и других биомасс ( умазаки, 2005).  ак подчеркиваетс€ в программе, комплексное регулирование переработки лесных биомасс и других видов отходов может внести существенный вклад в сокращение объемов энергопотреблени€ в японии (’орио и Ќода, 2005).  ѕримером возможности использовани€ механизмов нулевого выброса углекислого газа, основанной на использовании гидроэнергетики, стала система на острове якусима, префектура  агосима (”эмура и  аи, 2005). — целью регулировани€ нагрузки на электроэнергетическую сеть ученые предлагают создать местные системы совместного производства теплоты и электроэнергии TONARIGUMI, отличающиес€ высокой производительностью и сравнительно низкой стоимостью (Ќизацуми, 2005). —нижение выбросов парниковых газов в сфере промышленности может быть достигнуто за счет налаживани€ торгового сотрудничества между отрасл€ми и преобразованием устаревшего индустриального комплекса в международный, конкурентноспособный и производительный ( аме€ма, 2005b).

ƒл€ усовершенствовани€ системы энергопотреблени€ авторы дорожной карты предлагают использовать методики комплексного анализа (јихара, 2005). ѕри этом ключом к созданию экологически устойчивого общества €вл€етс€ усовершенствование законодательной базы, прин€тие идеи общественностью, а также обеспечение конструктивного диалога между гражданами, правительством и учеными (ќгура, 2005b). 

 атегори€ (4) содержит обзор тенденций развити€ энергоснабжени€ в японии (ќгава, 2005), национального рынка вторичных энергоресурсов (—ато, 2005), мировой системы получени€ водородной энергии (‘укуда и »вабучи, 2005), а также взгл€ды на будущее €дерной энергетики страны (ћатсуи, 2005).

 

3.   ”став энергетической дорожной карты «HONEBUTO»

јвторы программы обсуждали возможность создани€ идеально сбалансированного с точки зрени€ энергетики общества на основе предложений, выдвинутых в дорожной карте. — согласи€ всех участников был составлен комплексный ”став «HONEBUTO», включающий в себ€ 5 основных предложений:

ѕредложение 1: ќсознание того факта, что человек €вл€етс€ частью природы, и вытекающей из него необходимости максимально эффективного использовани€ энергии как подарка природы.

ѕредложение 2: –азработка рациональных способов преобразовани€ энергии и создание эффективных энергетических цепей дл€ продвижени€ новых деловых возможностей.

ѕредложение 3: ѕоиск новых материалов дл€ оптимизации процесса преобразовани€, хранени€ и передачи энергии.

ѕредложение 4: —тремление к формированию энергетически синергического общества, рационально использующего энергоресурсы.

ѕредложение 5: ”совершенствование традиционного образа жизни общества путем прин€ти€ некоторых неудобств, св€занных с ограничени€ми при энергопотреблении.

 

 онцепци€ «города мечты HONEBUTO» состоит из двух частей: городской сектор и экологически нейтральный сектор. ¬ пр€моугольных фигурах содержатс€ названи€ технологий, предложенных к использованию в энергетической карте. ¬ качестве первичных источников энергии используютс€ ископаемые и возобновл€емые виды топлива. ƒл€ обеспечени€ эффективной подачи первичной энергии планируетс€ создать крупномасштабные конверсионные установки, использующие технологии газификации угл€, а также системы переносчиков водорода. ¬ городской зоне электричество и водород подаютс€ из главной энергораспределительной сети.   их основным потребител€м относ€т промышленный сектор, сферу бизнеса, транспорт, жилой комплекс и информационные системы. —табильна€ энергетическа€ система подразумевает использование системы совместного производства теплоты и электроэнергии, аккумулировани€ и перекачки теплоты, а также торговли энергетическими ресурсами как между отдельными отрасл€ми промышленности, так и отдельными регионами (так называема€ система TONARIGUMI). Ёнергосберегающее кондиционирование с использованием высушивающих средств €вл€етс€ непременным условием создани€ идеальных условий проживани€ в городской зоне. ѕереработка биомасс и отходов производства также может оказатьс€ полезным в урбанистическом районе. ¬ сфере использовани€ информационных технологий – мобильных телефонов, персональных компьютеров и персональных информационных систем – основными преобразовател€ми энергии должны стать топливные €чейки. ¬ сельском, лесном и рыбном хоз€йстве может быть создана экологически нейтральна€ система на основе использовани€ древесных биомасс. — точки зрени€ устойчивого развити€ чрезвычайно важно, чтобы потребители адаптировали свои модели потреблени€ в соответствии с периодами максимального потреблени€ электроэнергии. Ѕезусловно, это потребует от граждан изменени€ некоторых привычек в большей или меньшей степени. ќднако дл€ создани€ таких «городов мечты» требуютс€ развитые технологии энергосбережени€, согласие общественности, усовершенствование методик химического реакторостроени€, а также научно-исследовательска€ работа в области инновационных материалов. ќсновой реализации данной концепции должно стать сотрудничество между р€довыми гражданами, власт€ми и учеными.

 

3.      ¬ли€ние предложенных технологий на сокращение выбросов углекислого газа

¬ли€ние предложенных в программе технологий на сокращение объемов выброса углекислого газа оценивалось на основе прогнозируемой пользы, которую может принести их применение ( убота и  ато, 2005).

”ченые оценивали возможное вли€ние используемых технологий в 2010 и 2030 году. ќценка эффективности выполнени€ краткосрочных целей была назначена на 2010 год; 2030 год был определЄн исход€ из предположени€, что к данному периоду предлагаемые технологии будет освоены максимально эффективно. ¬ каждой теме анализировалась прогнозируема€ степень снижени€ выбросов парниковых газов, основой дл€ чего стал опубликованный €понским правительством доклад о спросе и предложении на энергоресурсы в стране в ближайшее врем€ (ƒепартамент природных ресурсов и энергетики японии, 2004). —окращение выбросов  углекислого газа при производстве электричества, обусловленное использованием инновационных технологий, оценивалось примерно в 0,478 кг-C02/ к¬т/ч (при этом за основу была вз€та производительность завода, работающего на природном газу).

ќжидалось, 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 составл€ет 22,5% от текущего объема выбросов и 11% от уровн€ 1990 года).

—огласно  иотскому протоколу власти японии планировали сократить объемы выбросов до 6% от уровн€ 1990 года. ѕредложенные технологии обладали достаточным потенциалом, чтобы достичь поставленной цели. ќни были категоризированы по следующим секторам: энергоснабжение, транспорт, общественный сектор и промышленность. ¬одородные системы в общественном и транспортном секторах не учитывают выбросов, производимых при производстве водорода из первичных источников энергии. «а счет внедрени€ €дерной энергетики и переработки биомасс и отходов в секторе энергоснабжени€ планировалось сократить объем выбросов углекислого газа на 87%. ќказалось, однако, что внедрение инновационных технологий хранени€ и передачи тепла и создание систем совместного производства теплоты и электроэнергии (на долю которых отводилось 8%) требует больше времени, необходимого дл€ развити€ рынка. ¬ 2030 году крупнейшим сектором станет переработка биомасс и отходов, дол€ которой должна предположительно составить около 47%.  ƒол€ €дерной энергетики достигнет 20%, технологий аккумулировани€ и передачи тепла и комбинированного производства – 23%. “орговые отношени€ между отдельными отрасл€ми промышленности также должны принести пользу в виде 6-процентного сокращени€ уровн€ выбросов углекислого газа. ћестные системы совместного производства тела и энергии, кондиционирование с использованием влагопоглотителей и термохимическа€ перекачка тепла также должны сыграть существенную роль.

 

5.   —тратеги€ продвижени€ предложенных технологий

 ак видно из изображени€ 1, все выдвинутые предложени€ рассматривались авторами дорожной карты всесторонне и комплексно. ƒл€ определени€ технических задач, проблем и их решений были определены ключевые термины. ¬ результате обсуждени€ программы данные термины были категоризированы и систематизированы в дорожной карте. –езультаты систематизации отображены в таблице 2, котора€ представл€ет стратегию технологического развити€ дл€ создани€ «города мечты HONEBUTO».

ќбща€ цель заключаетс€ в создании «города мечты HONEBUTO» – экологически устойчивого города с высокой производительностью, малой нагрузкой на окружающую среду и энергией в качестве подарка природы. —редства реализации данного проекта должны быть малозатратными, высокоэффективными, высококачественными и сверхнадежными. “ехнологические решени€ должны быть простыми, лаконичными, эффективными, высокомощными, широко применимыми, долгосрочными и стабильными. ƒл€ их внедрени€ потребуетс€ использование инновационных методик в сфере разработки катализаторов, электролитов, усовершенствовани€ процесса химического преобразовани€ энергии и ее хранени€. ќгромное значение также имеет изол€ци€, разработка микрореакторов и гибридных материалов, а также процесс теплопередачи и массопереноса.  

ѕри разработке гибридных технологий ключевую роль играет создание гетерогенных композитных материалов.  роме того чрезвычайную важность представл€ют методики  моделировани€ при создании химических реакторов и имитации механизмов их работы. –азвитие требуемых технологий должно осуществл€тьс€ на основе классификации материалов, конструировани€ химических реакций и анализа их протекани€, а также разработки методик теплообмена и массопередачи.  —оздание инновационных материалов €вл€етс€ залогом успешного внедрени€ представленной дорожной карты. Ќесмотр€ на то, что данное направление сейчас активно разрабатываетс€, сфере энергетики до недавнего времени удел€лось недостаточное внимание. 

«аключение

јвторы дорожной карты подн€ли актуальный вопрос о необходимости разработки инновационных материалов дл€ модернизации сектора энергетики с помощью предложенных технологий. ѕроизводство таких материалов поможет в реализации многих технологических решений, выпуске передовых продуктов и, следовательно, создании «города мечты HONEBUTO». ¬последствии данные материалы могут стать основой дл€ реализации других проектов.  –езультатом внедрени€ текущей программы должно стать основание ћеждународного симпозиума по инновационным материалам в сфере энергетических систем. ѕоспособствовать этому должны технологии химической инженерии.

 

ёкитака  ато, журнал «ѕрикладна€ хими€» (япони€, 2007)

перевод с английского – Ќаталь€ ѕристром

  • ƒата публикации: 28.03.2012
  • 1522
ќќќ Ђƒ≈Ћќ¬џ≈ —»—“≈ћџ —¬я«»ї
ќтраслевой информационно-аналитический портал, посв€щЄнный энергетике Ѕеларуси. јктуальные новости и событи€. ѕодробна€ информаци€ о компани€х, товары и услуги.
220013
–еспублика Ѕеларусь
ћинск
ул. ул. Ѕ. ’мельницкого, 7, офис 310
+375 (17) 336 15 55 , +375 (25) 694 54 56 , +375 (29) 302 40 02 , +375 (33) 387 08 05
+375 (17) 336 15 56
info@energobelarus.by
ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

191611654
5
5
1
150
150