Критическая технология

 «Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику»

1. Наименование Критической технологии (КТ):

Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику

2. Основное назначение и краткая характеристика КТ

Создание новых и повышение эффективности существующих энергетических установок, использующих возобновляемые источники энергии, включая ветроагрегаты, гидроэнергетических установок, в том числе для малых рек. Разработка компактных и мобильных энергетических установок для децентрализованного автономного энергоснабжения на базе малых ветроэнергетических и гидроэнергетических установок. Создание энергетических установок, использующих отходы тепла. Создание термоэлектрических преобразователей для прямого преобразования в электроэнергию различных видов тепла. Поиск и создание эффективных преобразователей энергии солнечного излучения на основе фотосинтезирующих биологических комплексов. Повышение эффективности и радиационной стойкости космических солнечных батарей.

Разработка технологий водородной энергетики, направленных на снижение загрязнения окружающей среды за счет применения водорода, получаемого из органического сырья и воды с помощью возобновляемых и атомных источников энергии, и его использования в двигателях транспортных средств, в энергетике, в том числе в децентрализованном энергоснабжении.

3. Состав КТ (тематические области, методы, технологические решения)

Данная технология охватывает следующие основные направления:

гидроэнергетические установки, в том числе для малых рек;

технологии ветроэлектрических агрегатов;

блочно-модульные геотермальные станции;

системы теплонасосного теплохладоснабжения;

термохимические газогенераторы для переработки твердых органических отходов;

динамические электрохимические генераторы электрической и тепловой энергии;

ветроэнергетические установки (не только электрические), использующие энергию ветра для механических приводов, например, насосов;

преобразователи энергии солнечного излучения на основе фотосинтезирующих биологических комплексов;

создание эффективных технологий крупномасштабного получения дешевого водорода из метана и других видов водородсодержащего органического топлива, воды, в т. ч. морской, а так же при газификации углей;

технологии децентрализованного производства водорода, включая технологии производства водорода на борту транспортных средств;

технологии хранения, транспортировки водорода;

технологии использования водорода в энергетике, промышленности, на транспорте;

создание систем водородной безопасности.

4. Области применения КТ

энергетика;

промышленность;

транспорт;

жилищно-коммунальное хозяйство;

сельское хозяйство;

охрана окружающей среды;

энергообеспечение космических аппаратов;

электроника, миниатюрная энергетика;

химическая, газовая и нефтяная промышленность;

производство минеральных удобрений, металлургия;

биотехнологическая промышленность;

жилищно-коммунальное хозяйство.

5. Состояние исследований и разработок, ведущие исследовательские центры

Наиболее перспективные разработки в данной области, превышающие мировой уровень или соответствующие ему:

разработка высокоэффективных термоэлектрических материалов на основе соединений кремния;

солнечные фотоэнергоустановки на основе гетероструктурных каскадных фотопреобразователей и концентраторов излучения;

каскадные радиационно-стойкие фотопреобразователи для космических солнечных батарей;

системы электролиза воды.

Перспективные направления, по которым имеется наибольшее отставание в России от мирового уровня:

малая ветро- и гидроэнергетика;

разработка термоэлектрических материалов на основе наноструктур.

Научные задачи, требующие первоочередного решения для успешного развития данной КТ

разработка конструктивной теории малых ветро- и гидроэнергетических установок (адекватное описание взаимодействия движущегося тела как с внешней средой (вода, воздух), так и с электромагнитным полем, использующее современные малопараметрические модели гидродинамики);

создание компьютерного виртуального полигона для поиска и отработки устойчивого отъема энергии ветра в различных условиях функционирования ветроагрегатов, в том числе с помощью активного управления;

повышение эффективности фотоэлектрического преобразования прямого и концентрированного солнечного излучения до значений более 40%.

Ведущие российские центры:

ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН; Гидропроект; ГУП ВЭИ; ОАО ВНИИЭ; ОАО ЭНИН; ОАО НИИПТ; МЭИ; ФГУП НИИЭФА им. Д.В. Ефремова; ГНЦ РФ «НПО ЦНИИТМАШ»; НИИ механики МГУ; МГТУ им. Баумана; ИМаш РАН; ДГТУ; ИАПУ ДВО РАН; ИСАН; ИТ СО РАН; ОАО «НИИ Гириконд»; РНЦ "Курчатовский институт"; РФЯЦ-ВНИИТФ (Снежинск); ФГУП "Центр Келдыша"; РКК "Энергия"; ФГУП ОКБМ (Нижний Новгород); ГНЦ РФ ФЭИ (Обнинск); Институт катализа им. Борескова РАН; Институт высоких температур РАН; ФГУП ГНЦ НАМИ; ГИАП; ГНЦ РФ ВНИИНМ; ФГУП УрЭК; Институт высокотемпературной электрохимии; УрО РАН; НИИГрафит; ФГУП КБХА; ФГУП ЦНИСЭТ.

6. Характеристика технологических заделов и производственного потенциала, ведущие производственные центры

Наиболее перспективные разработки/опытные образцы

опытные образцы солнечных фотоэнергоустановок с концентраторами излучения;

опытные образцы каскадных фотопреобразователей для космических солнечных батарей;

высококачественные энергонакопительные конденсаторы (ионисторы), в том числе твердоэлектролитные.

Инженерные задачи, требующие первоочередного решения:

разработка и оптимизация конструкционных узлов для малых ветро- и гидроэнергетических установок, обеспечивающих надежность, долговременную прочность, износостойкость и безопасное функционирование этих установок, а также снижение внутренних потерь энергии;

организация серийного производства солнечных фотоэнергоустановок на основе гетероструктурных каскадных фотопреобразователей и концентраторов излучения;

организация серийного производства космических солнечных батарей на основе высокоэффективных и радиационно-стойких каскадных фотопреобразователей.

Ведущие производственные центры:

НПП «Квант»; ИПФ «Криотерм»; ОАО «Сатурн» (г. Краснодар); ЗАО «Диаконт» (г. Санкт-Петербург); ОАО «Светлана» (г. Санкт-Петербург); НИФХИ им. Л.Я. Карпова; НПО "Криогенмаш"; ФГУП "Красная звезда"; ОАО "Пластполимер".

7. Рынки инновационных продуктов и услуг, создаваемых (оказываемых) с использованием данной КТ

Важнейшие инновационные продукты, создаваемые с использованием данной технологии:

автономные (в том числе мобильные и переносные) и сетевые источники тепло- и электроснабжения малой и средней мощности на базе возобновляемых источников;

устройства и системы, обеспечивающие снижение нагрузки энергетических установок на окружающую среду;

системы безопасности гидроэнергетических установок с использованием компьютерных технологий;

котельные установки небольшой мощности (менее 5МВт) для высокоэффективного сжигания низкокачественных твердых топлив (углей и биомассы);

пиролиз (газификация) твердых бытовых отходов с последующим использованием очищенного генераторного газа в энергоустановках;

автономные термоэлектрические источники тока мощностью более 500 Вт;

высокоэффективные системы преобразования солнечной энергии в электричество на основе гетеропереходов, создание преобразователей солнечной энергии различной мощности на их основе;

преобразовательные устройства для подсоединения к электросистемам и нагрузкам нетрадиционных источников электроэнергии (топливных элементов, солнечных электростанций, термоэлектрических источников тепла, электроустановок);

термоэлектрические источники тока, предназначенные для утилизации отходов тепла;

системы концентрирования и преобразования солнечной энергии наземного, морского и космического базирования;

автономные энергоустановки для использования гидрогеотермального и петрогеотермального тепла;

тонкопленочные преобразователи солнечной энергии с эффективностью преобразования энергии не менее 20%;

системы теплоснабжения на основе тепловых насосов с использованием низкопотенциального тепла морской и речной воды, геотермальных и сточных вод;

топливные элементы неводородного типа;

высокотемпературные реакторы для производства водорода и энергоснабжения технологических процессов;

плазменные, каталитические, электрохимические и термохимические установки для локального и централизованного производства водорода;

безопасные и эффективные системы хранения, транспортировки и снабжения потребителей водородом;

электрохимические генераторы (макро-, мини- и микро-) на водороде для транспорта, автономных потребителей, специальной энергетики;

топливные элементы на основе твердополимерного электролита для транспортного и стационарного использования;

безопасные установки для производства водорода и синтетического газа из природного газа;

энерготехнологические системы на основе водорода для выравнивания графика нагрузки электросетей;

топливные элементы на основе твердооксидных электролитов для транспортного и стационарного применения, в том числе, работающих на углеводородных топливах;

топливные элементы высокой энергоплотности мощностью от 100 кВт;

высокотемпературные топливные элементы, работающие на угле (газе);

одноразовые картриджи для водородных топливных элементов, используемых в сотовых телефонах, ноутбуках и другой электронике;

тепловые и атомные энергоустановки для производства конвертируемого газа на базе парометановой конверсии с целью получения водорода и использования его в энергоемких производствах;

оборудование для получения водорода с помощью тлеющего разряда в углеводородной плазме.

Эффекты от внедрения данной технологии:

обеспечение устойчивого энергоснабжения изолированных пунктов в труднодоступных районах, удаленных и автономных потребителей электрической энергии;

повышение производительного потенциала малых хозяйств;

уменьшение загрязнения окружающей среды, экономия органических топлив;

рост производительности труда за счет снижения себестоимости наземных и космических солнечных батарей;

активизация импортозамещения по наземным и космическим солнечным батареям;

создание принципиально новых продуктов – солнечных концентраторных фотоэнергоустановок и каскадных космических солнечных батарей;

выход на внешние рынки с наземными солнечными концентраторными фотоэнергоустановками и с каскадными космическими солнечными батареями;

повышение оборонного потенциала за счет создания отечественных космических батарей на основе каскадных фотопреобразователей с увеличенными энергосъемом и ресурсом функционирования на орбите.

8. Специальные меры поддержки данного направления

федеральные целевые и ведомственные программы;

создание специальных механизмов финансовой поддержки (долгосрочное финансирование, долевое финансирование с участием государства и др.);

разработка государственных стандартов и процедур сертификации соответствующих устройств;

подготовка кадров и обеспечение материально-технической базы для проведения исследований;

долгосрочное финансирование в рамках Федеральной Программы по возобновляемой энергетике, по Программам Роснауки и Президиума РАН;

долевое финансирование с участием ГК Роснанотех, Роснауки и Роспрома;

совершенствование (в ряде случаев создание) нормативно-правовой базы, определяющей развитие данного направления;

создание бизнес ориентированных центров передовых технологий, включающих ГНЦ, отраслевые НИИ и КБ, университеты, промышленные комбинаты;

разработка механизмов финансовой поддержки (специальное долгосрочное финансирование, долевое финансирование, в том числе с участием государства и др.);

государственная поддержка на внешнем рынке.

Меры необходимой поддержки исследований и разработок в России:

увеличение государственного финансирования;

развитие материально-технической базы и инфраструктуры науки;

подготовка кадров.

Меры поддержки для обеспечения высокой конкурентоспособности и выхода на внутренний и внешний рынки:

развитие инновационной инфраструктуры;

улучшение условий для организации бизнеса;

привлечение средств бизнеса.