Оценка влияния новых технологий на снижение энергоемкости промышленности

В статье исследуются возможные направления изменения энергоемкости в отраслях промышленности. Предлагается схема долгосрочного прогнозирования динамики энергоемкости промышленности. Приводится количественная оценка возможной динамики энергоемкости российской промышленности с учетом структурных изменений и новых эффективных энергосберегающих технологий.

За последние 30 лет энергоемкость промышленности в странах Западной Европы и в Японии снизилась в 1,6-1,8 раза, а в США более чем в 2 раза в результате энергосберегающих мероприятий, совершенствования технологических процессов и прогрессивных изменений в межотраслевой структуре (в основном за счет увеличения доли машиностроения и химической промышленности, и снижения доли черной металлургии).

В перспективе, как ожидается, энергоемкость промышленности развитых стран, будет уменьшаться в основном из-за структурных изменений, однако это снижение замедляется (табл. 1). Согласно последним прогнозам международных энергетических агентств, прогнозируется снижение энергоемкости промышленности в странах Западной Европы на 35% к 2030 гг. к 2030 гг.; в США - на 25 % к 2035 г. Две трети этого снижения обусловлены изменениями в структуре производства. При этом сохраняется значительный потенциал для дополнительного энергосбережения в случае резкого удорожания стоимости топлива и энергии и других стимулирующих факторов.

Сопоставление энергопотребления в промышленности России с общемировыми тенденциями показывает ее существенное отставание по эффективности использования энергоресурсов. Ее энергоемкость в 1,5-3 раза выше, чем в развитых странах. Это объясняется, прежде всего, особенностями производственной структуры: доля в валовой продукции промышленности машиностроения, пищевой, легкой и других малоэнергоемких отраслей составляет приблизительно 37%, в то время как в европейских странах, Японии и США она превосходит 50-60% (табл. 2).

Более 50% потенциала энергоэффективности отечественной промышленности сосредоточено в ее наиболее энергоемких отраслях – черной и цветной металлургии, химической и цементной промышленности, энергоемкость которых превышает среднюю по промышленности в 1,9-3,0 раза.

Таблица 1

Среднегодовые темпы снижения энергоемкости промышленности, % [1,2]

Таблица 2

Структура обрабатывающей промышленности, % [3]

Черная металлургия считается самой энергоемкой отраслью промышленности. На ее нужды расходуется около 25% суммарного энергопотребления промышленности. Наиболее электроемкими являются производство стали и проката (около 20% от суммарного электропотребления отрасли), а топливоемким – производство чугуна (50% от общего потребления топлива в отрасли).

По уровню энергоэффективности производства черных металлов Россия отстает от основных стран-производителей (рис. 1). Это объясняется использованием устаревшей техники: на морально и физически устаревшем оборудовании производится почти 50% стали, чугуна и проката. На производство стали в России расходуется от 670 до 780 кг у.т./т., в то время как в зарубежных странах – 548-690 кг у.т./т. Лучший зарубежный показатель энергоемкости составляет 380-480 кг у.т./т., а теоретический минимум - 240 кг у.т./т. [4].

Основными технологическими сдвигами на современном этапе и в перспективе являются переход от мартеновских печей к кислородным конверторам и электродуговым печам, а также рост удельного веса непрерывной разливки стали. По оценкам специалистов, электродуговой способ выплавки стали (с учетом затрат энергии на производство передельного чугуна) является вдвое менее энергоемким, чем мартеновский, и более чем в 2 раза эффективным по сравнению с кислородно-конверторным. Применение технологии непрерывной разливки стали позволяет устранить ряд промежуточных стадий в производстве черных металлов и сократить расход материалов и энергоресурсов в 3-4 раза.

В 2001-2008 гг. структура производства стали в России заметно улучшилась: доля стали, произведенной в кислородных конверторах и электродуговых печах выросла в 1,9 раза. Также увеличился до 68% удельный вес стали, разлитой на машинах непрерывного литья. В Японии этот показатель составляет 98%, США - 97%, Германии – 96%.

На долю цветной металлургии приходится около 30% электроэнергии и 14% энергоресурсов, потребляемых в промышленности. Основное количество электроэнергии расходуется на электролиз алюминия (более 70% отраслевого потребления электроэнергии), никеля, магния и на электротермические процессы.

Сравнение российских показателей с зарубежными показывает, что в процессах производства алюминия имеется достаточный потенциал для повышения энергетической эффективности (рис. 2): cредняя электроемкость производства первичного алюминия на российских предприятиях составляет приблизительно 16 тыс. кВт.ч/т., а в других странах она варьируется в интервале 14,3-15,6 тыс. кВт.ч/т., в США - 15,2 тыс.кВт.ч/т. Лучший зарубежный показатель энергоемкости составляет 12-13 тыс. кВт.ч/т.[4].

Россия отстает от передовых стран по использованию новых технологий, в частности электролизеров с обожженными анодами, а также модернизации уже имеющихся технологий и оборудования; по производству металлов из вторичного сырья. Доля вторичных цветных металлов в России составляет не более пяти процентов от общего выпуска продукции и в основном это вторичный алюминий. В 2006 г. в США 30-37% алюминия производилось из вторичного сырья, в европейских странах OECD — 30-33%, в Японии — 90-97%.

Удельные расходы энергии в цементной промышленности России в среднем выше в 1,2-1,6 раза по сравнению с развитыми странами (рис. 3). На производство цемента в России расходуется приблизительно 152-169 кг у.т./т., в то время как наилучшие мировые показатели энергоемкости находятся в следующих пределах 95-120 кг у.т./т.

Основная причина высокой энергоемкости производства клинкера и цемента в нашей стране – низкая доля сухого способа производства. Он применяется только на 16% российских предприятиях, в то время как в Японии – на 100% предприятий, США – 65%, Западной Европы – на 58%. Быстрое вытеснение мокрого способа сухим обеспечило в развитых странах существенное снижение расхода энергии на производство цемента и, следовательно, энергоемкости всей отрасли. В 1980-1990 гг. энергоемкость цемента сократилась в США на 29%, Японии – на 18%, Канаде – на 9%.

Отечественная химическая промышленность характеризуется энергоемкой отраслевой структурой, в которой преобладают продукты с невысокой добавленной стоимостью, а также полупродукты низкой степени обработки (до 40%), в основном идущие на экспорт в качестве сырья (табл. 3). Отсталые технологии и высокий износ основного оборудования ведут к нерациональному использованию энергоресурсов в химическом комплексе. Ее энергоемкость в 3-4 раза выше уровня развитых стран. В период 1970-1993 гг. под влиянием сдвигов в продуктовой и технологической структуре отрасли энергоемкость химической промышленности сократилась в США в 1,4 раза и в Японии - почти в 3 раза.

Таблица 3

Удельные расходы энергии на производство отдельных видов химической продукции в России, 2008 г. [3,6]

Снижение энергоемкости в отраслях промышленности в значительной степени обеспечивается внедрением новых технологий. Перспективная динамика изменения энергоемкости российской промышленности будет зависеть от темпов модернизации производства и ввода новых производственных мощностей с передовыми технологиями. Прирост производства осуществляется в основном на новых мощностях с более высокой энергоэффективностью (табл. 4.). Очевидно, что чем выше темпы развития промышленного производства, тем меньше доля старых мощностей и выше возможность структурных изменений как в отдельных отраслях, так и промышленности в целом. Соответственно больше потенциал энергосбережения.

Для исследования влияния темпов экономического роста, а также структурных изменений на энергоемкость промышленности в ИСЭМ СО РАН используется система моделей, включающая динамическую модель межотраслевых связей и модель энергопотребления (рис. 4). Первая определяет взаимосвязанное развитие 25 отраслей экономики с учетом задаваемого экспорта и импорта и изменения во времени коэффициентов материалоемкости и капиталоемкости. Вторая модель позволяет оценить спрос на энергоносители для четырнадцати отраслей промышленности и экономики в целом на долгосрочную перспективу [8].

Таблица 4

Прогнозная энергоемкость новых технологий в США

(в процентах к существующим) [7]

Перспективная оценка динамики энергоемкости промышленности России на период до 2030 г., выполненная автором, проводилась с учетом влияния на ее динамику темпов развития отраслей, а также вероятных изменений в ее производственной и технологической структуре (табл. 5). При этом рассматривались два сценария развития экономики России: инерционный со среднегодовыми темпами роста ВВП 3,5% и инновационный со среднегодовыми темпами роста ВВП 6,5%.

В инерционном сценарии остается высокой доля энергоемких производств – ТЭК, черной и цветной металлургии (до 42% к 2030 г.). Темпы роста промышленного производства составляют 2,8%. В инновационном сценарии предполагается интенсивное изменение структуры производства: двукратный рост доли наукоемких отраслей – машиностроения и химической промышленности (с 22% до 45%) и снижение удельного веса металлургии и ТЭК (с 55 до 34%). Темпы роста промышленного производства составляют 5,2%.

Рис. 4. Схема долгосрочного прогнозирования динамики энергоемкости отдельной

отрасли промышленности

Учитывались следующие структурно-технологические изменения в отдельных отраслях:

• в черной металлургии - вытеснение мартеновской плавки кислородно-конверторной и электроплавкой, рост удельного веса технологии прямого восстановления железа, непрерывной разливки стали;

• в цветной металлургии - расширение использования электролизеров с обожженными анодами в производстве алюминия и автогенных процессов в выплавке меди, никеля, свинца, цинка;

• увеличение доли лома и вторичного сырья в черной и цветной металлургии;

• увеличение доли новых материалов и прогрессивных видов проката в машиностроении ;

• расширение применения сухого способа производства цемента;

• повышение доли малоэнергоемких видов продукции в химической промышленности и машиностроении.

Таблица 5

Основные характеристики сценариев развития экономики России

Долгосрочная динамика удельных расходов топлива и энергии определялась отдельно на новых и существующих мощностях. Энергоемкость на новых мощностях принималась на основе анализа глобальных тенденций, зарубежных аналогов, стимулирующего влияния на энергосбережение ожидаемого роста стоимости энергоносителей. Предусматривалось также снижение удельных расходов топлива и энергии на существующих мощностях под влиянием модернизации, оптимизации режимов работы оборудования и энергосберегающих мероприятий.

Темпы снижения энергоемкости различаются по отраслям, что объясняется их технологическими особенностями, разной эффективностью электрификации и характером изменения внутриотраслевой структуры. Из таблицы 6 видно, что снижение энергоемкости, как правило, значительнее в отраслях, развивающихся наиболее высокими темпами.

Таблица 6

Среднегодовые темпы изменения валовой продукции и энергоемкости промышленности (2011-2030 гг.)

В случае развития экономики России по инновационному сценарию структура перспективного энергопотребления промышленности существенно меняется: доля малоэнергоемких отраслей (неэлектроемкого машиностроения, легкой и пищевой промышленности) возрастает с 19 до 29%, а энергоемких соответственно снижается с 81 до 71. Такие изменения соответствуют общемировым тенденциям и в частности, европейскому прогнозу. Так, за период с 1995 по 2005 гг. в странах Западной Европы доля малоэнергоемких производств увеличилась с 32 до 34% и в соответствии с прогнозом ожидается ее дальнейший рост до 39% к 2030 г. [2].

В случае развития экономики России по инерционному сценарию низкие темпы ввода новых производственных мощностей, прогрессивных изменений в структуре экономики и в технологических процессах замедлят снижение энергоемкости как в отдельных отраслях, так и промышленности в целом по сравнению с инновационным сценарием.

Согласно прогнозу, энергоемкость промышленности России (на единицу ВВП) будет снижаться быстрее (с темпом 1,6-2,5% в год), чем прогнозируется в странах OECD. Можно ожидать, что к 2030 гг. отставание России от развитых стран по этому показателю будет минимальным. Уменьшатся различия между странами по электро- и энергоемкости по мере роста душевого ВВП (рис. 5,6). При этом энергоемкость отечественной промышленности будет выше, чем в развитых странах в частности из-за особенностей структуры промышленного производства и более холодного климата.

Рис. 6. Зависимость электроемкости промышленности от душевого ВВП

Россия - инновационный сценарий, Европа (OECD), США, Япония, Германия – базовый сценарий

Рассматриваемый период для России 2000-2008 гг., для других стран 1990- 2030 гг.

Источники: [5,9,10] и оценка автора

Литература:

1. Annual Energy Outlook 2010. U.S. Energy Information Administration, Washington, December 2009. [http://www.eia.doe.gov/neic/speeches/newell121409.pdf]

2. European Energy and Transport - trends to 2030. – European Commission, Directorate General for Energy and Transport. Greece, 2003.

3. Промышленность России - 2008. Стат. Сб. М.: Росстат, 2008.

4. Worrel E., Neelis M., Price L., Galitsky C., Nan Z. World Best Practice Energy Intensity Values for Selected Industrial Sectors / Ernest Orlando Lawrence, Berkeley National Laboratory. USA, 2007.

5. Curbing Global Energy Demand Growth: The Energy Productivity Opportunity. McKinsey Global Institute/ San Francisco, 2007.

6. Росстат. Ф. 11-ТЭР, 2008.

7. Energy Information Administration, Model Documentation Report, Industrial Sector Demand Module of National Energy Modeling System (NEMS), DOE/ EIA, Washington, DC, 2009.

8. Методы и модели прогнозных исследований взаимосвязей энергетики и экономики / Кононов Ю.Д., Мазурова О.В. и др. – Новосибирск: Наука, 2009.

9. World Energy Outlook 2009. ОЭСР/ IEA, Paris, 2009.

10. International Energy Agency. World Energy Outlook 2009. OECD/ IEA, Paris, 2009.