В последнее время в прессе и научных изданиях довольно много внимания уделяется инновационному развитию различных секторов экономики. При этом политиками многих стран в системе противодействия финансовому кризису провозглашается направленность на развитие новых технологий. В целом, поддерживая такую направленность, представляется актуальным с позиций современной фундаментальной науки дать ответ на вопрос: куда же всё-таки будет направлен вектор долгосрочного технологического развития мировой экономики, и как он повлияет на развитие глобальной энергетики. С целью ответа на вышеуказанный вопрос в процессе исследования были осуществлены «замеры» интенсивности инновационного развития мировой экономики. Для этих целей была использована статистка мировых заявок на технологические патенты, приуроченная к 1 млн. чел. численности населения мира. Глубина ретроспективного временного ряда соответствовала достаточно большому периоду - 120-130 лет. Это позволило исследовать устойчивые закономерности инновационного развития, проявленные на длинных временных рядах. В качестве мировых патентных заявок в исследовании приняты только так называемые заявки на «тройные» патенты, зарегистрированные в трех мировых патентных офисах (Америка, Европа, Азия).
В результате статистического исследования была получена кривая, получившая название «ступени технологического роста» (рис. 1).
Рис. 1 – Динамика патентных заявок (шт.) на 1 млн. чел. населения мира (интенсивность инновационного развития)
На представленной статистической кривой существует множество характеристических точек. Не вдаваясь в их детальный анализ, отметим только, что на участках падения интенсивности патентных заявок происходит формирование очередной технологической ступени. В этот период мировая экономика фактически приобретает новый технологический облик. Спрашивается, сколько же таких технологических ступеней было реализовано в XX веке? Всего две. Первая – в период, примерно, 1928-1945 гг., вторая – в период 1970-1990 гг. Когда же начнётся очередная технологическая ступень? Проанализировав представленные на рис. 1 данные, можно сделать вывод о том, что она уже практически начала с 2008 г. свою реализацию.
Итак, 2008 г. – начало мирового финансового кризиса и одновременно начало формирования новой технологической ступени. Фактически 2008 г. – это точка невозврата, когда мировая экономика встала на новый трек своего технологического развития. И уже не объемы ресурсов вовлекаемых в хозяйственный оборот, а эффективное управление ими становится главной доминантой развития мировой экономики.
В соответствии с прогнозом новая технологическая ступень – первая в XXI веке, продолжится примерно до 2020-2030 гг. Отметим несколько «политологических» точек кривой, представленной на рис.1. Каждая ступень начинается с мирового кризиса и заканчивается переделом государственных границ. Так, начало первой ступени совпадает с мировым кризисом, получившим название «Великая депрессия». Вторая ступень также соответствует мировому энергетическому кризису. И, наконец, первая ступень XXI века совпадает с началом текущего мирового финансового кризиса.
Отличается ли первая технологическая ступень XXI века от тех, которые уже состоялись в XX веке? Да, отличается. Она находится на гребне (рис. 2) ещё одной, более глобальной технологической волны (ступени).
Рис. 2 – Результаты гармонического анализа динамики патентных заявок на 1 млн.чел. (шт.)
Это означает, что на предстоящей технологической ступени должны быть реализованы не только знания, накопленные за предыдущий двадцатилетний период, но и знания, приобретённые в более длительном периоде. В этой связи, переход к новой технологической ступени, в отличие от уже реализованных, носит глобальный характер.
Какие же прорывные технологические направления - драйверы будут поддерживать развитие новой технологической ступени?
Для ответа на этот вопрос был проведён анализ заявок на технологические патенты по 35 направлениям технологического развития (рис. 3).
Рис. 3 – Динамическая матрица прорывных технологий
В результате выделен пакет направлений, сформированный патентными заявками, обладающими самым высоким удельным весом (в совокупности 25 %). На базе выборки технологических направлений этого пакета была смоделирована динамика реализации патентных заявок в будущие технологии*. В результате получена динамическая матрица технологий являющихся на предстоящий технологической ступени (до 2030 г.) драйверами технологического развития.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что в пакет прорывных технологий на протяжении всего двадцатилетнего перспективного периода, наряду с такими технологиями как: компьютерные, оптикоэлектроника, аудиовизуальные, входят технологии, относящиеся к энергетике. Вот так мировая технологическая мысль расставляет свои приоритеты, ставя вопросы обеспечения Человечества энергией в разряд наиболее главных.
Несомненно, вопросы получения энергии являются одними из важнейших. Однако, рассматривая технологии выше указанного направления, можно констатировать, что речь идёт не просто об объёмах энергии, а о финальном её использовании в машинах и аппаратах. Таким образом, технологии финального использования энергии являются одними из главных в пакете прорывных технологий.
В связи с выше приведенным, можно сформулировать как минимум изменение трех парадигм развития глобальной энергетики, которые будут действовать в период реализации первой технологической ступени XXI века.
Первая парадигма: от наращивания объёмов потребления энергоресурсов к увеличению коэффициента финального использования энергии.
Вторая парадигма: от производства простых, традиционных энергоресурсов к производству высокотехнологичных, инновационных энергопродуктов, повышающих эффективность финального использования энергии. Это означает, что в предстоящем периоде должна быть увеличена вся «линейка» производных энергопродуктов от угля, нефти, газа и т.п.
И, наконец, третья парадигма: от комплексной механизации к автоматизации, компьютеризации и робототехники процессов разведки, добычи и переработки энергоресурсов.
На предстоящей технологической ступени должны быть реализованы не просто технологии, а умные наукоёмкие технологии.
Итак, от ступени к ступени, от кризиса к кризису – вот путь развития мировой экономики. Каким же образом циклы технологического развития будут воздействовать на потребление энергии? Для ответа на этот вопрос, конечно, же необходимы фундаментальные исследования по установлению закономерностей цикличности потребления энергии.
Заметим, что носителем любого потребления является Человек. И от того, какова будет численность населения мира, зависит развитие и экономики, и глобальной энергетики. В процессе исследований использовалась «глубокая» взаимосвязь между объёмом потреблённой энергии и численностью населения мира.
По результатам оценки этой взаимосвязи был получен комплекс закономерностей. Среди них так называемые «энергетический стакан», «петля душевого потребления», «энергетические скачки» (пороги) и другие как продолжение учения об Энергетике отечественных учёных-энергетиков Г.М. Кржижановского и Л.А. Мелентьева. Приведем лишь незначительную часть из них с целью продолжения логики дальнейшего изложения позиции.
Так в результате исследований была установлена прогнозная кривая (рис. 4), получившая название «спираль» мирового развития.
Рис. 4 – Прогнозная зависимость прироста численности (млн. чел.) от численности населения мира, млн. чел.
Итак, развитие численности осуществляется по «спирали». Каждый полуоборот «спирали» - это новые изменения в экономике и глобальной энергетике в результате господ. В результате исследования получена такая же «спираль», но только развернутая в координатах времени.
В соответствии с результатами расчётов предел численности населения мира составляет 8,5-9 млрд. чел. И этот предел будет достигнут не когда-нибудь в отдалённой перспективе, а уже примерно к середине XXI века. Далее же будет осуществляться цикличное изменение численности с убывающей амплитудой и стремлением приблизиться к энергетически «комфортному» уровню.
Казалось бы, представленные расчёты ориентированы на достаточно большие прогнозные периоды. Какое они имеют отношение к текущим процессам? Оказывается, имеют. Если, в соответствии с представленной динамикой численности, рассчитать годовое потребление энергии, то можно выявить, что уже примерно с 2025-2030 гг. мировая экономика «попадает» в энергетическую «яму». Эта «яма», в свою очередь, отражает процесс вхождения Человечества в демографическую яму (рис. 5).
Рис. 5- Динамика годового потребления энергии и численность населения мира
Собственно говоря, в эту яму уже «попали» страны Западной Европы. В середине 90-х годов в неё «попала» и Россия. Начинает входить и Северная Америка. Но самое главное – в неё «попадают» и страны, которые в настоящее время являются драйверами мирового экономического развития: это Индия и Китай. Причём для этих стран в диапазоне 2030-2050 гг. наступает период окончания прироста численности населения. Так, к 2030 г. в Китае прирост численности уменьшается с 0,6 % до 0,2 % в год, т.е. в 3 раза. Примерно в 2 раза к этому году сократятся темпы прироста численности населения Индии: (соответственно, с 1,5 % до 0,7 % в год). Необходимо учитывать, что высокие темпы экономического развития этих стран «заточены» на рост численности населения. При этом рост экономики у них сопровождался увеличением потребления энергии. Падение же темпов роста численности, конечно, приведёт к замедлению экономического развития, а это, соответственно, приведёт к реализации процессов торможения и в потреблении энергии. Необходимо также учитывать, что и Индия, и Китай нацелены на внедрение новых энергоэффективных технологий (об этом свидетельствует анализ патентных заявок). Это ещё в большей мере означает, что упомянутые страны будут в предстоящем периоде достаточно умеренно наращивать объёмы потребления энергии. Вышеприведенное предопределяет необходимость более взвешенного подхода органов государственного управления России в вопросах оценки будущего экспорта энергоресурсов в упомянутые страны.
В процессе исследований получен прогноз потребления топливно-энергетических ресурсов в XXI веке (рис. 6).
Рис. 6 – Прогноз динамики потребления энергии
В соответствии с представленным вариантом прогноза уже примерно в 30-х – 40-х годах XXI века общее потребление энергии, достигнув максимума, «ляжет» на «полку» и далее будет подчиняться траектории плавного снижения. Потребление же традиционных энергоресурсов (нефть, газ, уголь) займёт «полку» ещё раньше – примерно в 20-х – 25-х годах XXI века (рис. 6а).
В пакете энергоресурсов потребление нефти и угля перейдёт на траекторию плавного снижения. Потребление газа увеличит свои темпы. Он будет доминирующим энергоресурсом, примерно, до 50-х годов XXI века. После же этого периода последует доминирование неуглеводородных энергоресурсов (развитие альтернативной энергетики).
Что же глобального произойдет в предстоящем периоде в мировой энергетике?
Вероятнее всего, осуществится смена энергетического уклада (рис. 7а).
Рис. 7 – Движение мировых энергетических укладов
Точно так же, как в своё время нефтяной уклад заменил угольный уклад, в предстоящем периоде газовый уклад сменит нефтяной. А затем – неуглеводородный уклад сменит газовый. Отметим, что каждый энергетический уклад соответствует реализованным технологическим ступеням. В чём же заключается «философия» перехода от одного энергетического уклада к другому? По всей видимости, она заключается в повышении энергетической ценности энергопродуктов (в данном случае имеется ввиду калорийный эквивалент) последовательно вводимых в хозяйственный оборот мировой экономики (рис. 7б). Так, калорийный эквивалент угля, примерно, в 2 раза выше, чем у дров и торфа, у нефти, примерно, в 2 раза больше, чем у угля и т.д. Где же предел этого повышения? Очевидно, глобальная энергетика «движется» от применения «простых» химических реакций горения топлива, высвобождающих лишь часть внутренней энергии вещества (E=ρ*m, где ρ – калорийный эквивалент), к возможности (в пределе) полного высвобождения его энергии покоя (E=mc2).
Учитывая, что высвобождающаяся энергия топлива – это лишь часть полной энергии покоя вещества, в процессе исследований были применены элементы корпускулярно-волновой теории для оценки душевого потребления энергии (рис. 8а). В соответствии с ней, каждому виду энергоресурса соответствует своя частота колебания – как часть частоты так называемого «характеристического излучения».
Рис. 8 – Глобальная энергетическая константа душевого потребления энергоресурсов
На основе реализации применяемых подходов можно сделать два основных вывода.
Первый – душевое потребление энергии подчиняется квантово-волновым процессам. И второй – существует глобальная предельная константа предельного потребления массы применяемых энергоресурсов (Bmax). В соответствии с этим текущее потребление массы энергоресурсов может определяться на основе выражения:
- средний КПД применяемых энергоустановок.
По всей видимости, наличие такой константы отражает ни что иное, как проявление в хозяйственной практике использования энергоресурсов физического закона сохранения массы вещества.
Используя «волновой пакет» дебройлевских волн, удалось описать динамику душевого потребления массы энергоресурсов:
В соответствии с расчётами, глобальное предельное значение душевого потребления массы топлива соответствует величине, примерно, равной 2-2,2 т/чел. (рис. 11б). Согласно оценкам, этот глобальный предел наступил в период 2008-2010 гг. Скорее всего, он носит цивилизационный характер. Действительно, на протяжении всей истории развития цивилизации Человечество систематически повышало душевое потребление массы энергоресурсов. И, наконец, этому повышению подошёл предел, после которого глобальная энергетика стала переходить в принципиально иную стадию своего развития. Она из состояния постоянного наращивания душевого потребления массы энергоресурсов стала осуществлять переход к состоянию постоянно увеличивающейся его экономии. Отметим, что наступление этого предела ознаменовано вхождением экономики в мировой финансовый кризис. В этой связи, можно заключить, что текущий финансовый кризис, в отличие от ранее реализованных в мировой экономике, отличается наличием цивилизационного перехода в развитии глобальной энергетики.
За последние 300 лет душевое потребление массы топлива увеличилось в 6 раз. Примерно в 70 раз возросло общее потребление массы топлива. А вот калорийный эквивалент за этот промежуток времени увеличился не более, чем в 2 раза. Складывается впечатление, что Человечество на протяжении долгого периода своего развития не очень «заботилось» о повышении энергетической ценности применяемых энергоресурсов. И вот, после наступления предела душевого потребления массы энергоресурсов, глобальная энергетика, наконец, входит в период высоких и сверхвысоких калорийных эквивалентов. Ясно, что развитие такой энергетики не может быть обеспечено калорийными эквивалентами применяемых в настоящее время энергоресурсов (уголь, нефть, газ). При этом отметим, что за счёт осуществления глубокой переработки выше указанных энергоресурсов в предстоящем периоде можно лишь расширить зону и период действия традиционной энергетики.
В настоящее время не существует общепринятого мнения о долгосрочном развитии душевого потребления энергии. Многие исследователи утверждают о постоянном росте душевого потребления энергии в связи с возрастающими потребностями Человека. В процессе исследований было получено выражение для оценки душевого потребления энергии, свидетельствующее о наличии его глобального предела:
Отметим, что многие исследователи связывают уровень душевого потребления энергии с различными факторами. Однако в процессе настоящего исследования установлено, что душевое потребление фактически зависит от одного фактора: уровня научно-технического прогресса в обществе. Итак, в соответствии с выражением (3), глобальный предел душевого потребления энергии существует. Для его эмпирического подтверждения в процессе исследований проведено моделирование душевого потребления применяемых в экономике энергоресурсов в зависимости от КПД энергоустановок (рис. 9).
Рис. 9 – Результаты моделирования циклов душевого потребления энергоресурсов
В результате было подтверждено не только наличие глобального предела, который также носит цивилизационный характер, но и осуществлена оценка его величины, которая оказалась равной 2,5-2,6 ту.т/чел. (рис. 10). По-видимому, наличие глобального предела душевого потребления энергии отражает проявление в экономической практике физического закона сохранения энергии.
Отметим, что этот глобальный предел наступает при КПД энергоустановок, равном 0,4-05. По видимому, этот предел связан с исчерпанием возможного роста КПД тепловой энергетики. Вероятно, за пределами 2030 г. инвестирование в развитие традиционной энергетики будет являться достаточно проблематичным.
Рис. 10 - Зависимость душевого потребления энергии (ту.т /чел.) от КПД энергоустановок
Какие же технологии в энергетике будут поддерживать инновационный переход в глобальной энергетике? Для ответа на этот вопрос, в соответствии с элементами корпускулярно-волновой теории, по каждому виду применяемого энергоресурса была рассчитана частота излучения (табл. 1)
Таблица 1.Частоты излучений волн применяемых видов топлива
|
Вид топлива |
Калорийный эквивалент, т.у.т / т |
Частота, Гц |
|
Биомасса |
0 , 3 -0 , 5 |
0 , 2∙ 10 11 |
|
Уголь |
0 , 6 -0 , 8 |
0 , 3∙ 10 11 |
|
Нефть |
1,5 |
0 , 6 ∙ 10 11 |
|
Природный газ |
1 , 9 |
0 ,7 5 ∙ 10 11 |
|
Водород |
4 ,1 |
1 , 6 4∙ 10 11 |
|
Уран |
2,4 млн. |
10 17 |
Погрузив полученные частоты энергоресурсов в известную классификацию частот источников излучения (от радиоволн до жестких лучей), в процессе исследований, получена систематизированная оценка движения энергетических технологий (табл. 2).
Подчеркнём, что используемые в настоящее время энергоресурсы (биомасса – уголь, нефть, газ, водород) «попали» в классификации на нижнюю границу инфракрасного излучения. Это подтверждает возможность описания энергоресурсов их частотами излучения, так как именно при химических реакциях горения выделяется энергия инфракрасного и видимого излучения. В общем случае развитие энергетических технологий осуществляется в направлении от расширения зоны традиционных технологий к геотермальным, солнечным, ветровым, атомным и далее - к космическим технологиям.
Таблица 2. Классификация частот излучений источников Энергии и движение энергетических технологий.
Учитывая наличие зоны расширения традиционных технологий, следует отметить, что в этот период должны быть реализованы технологии, базирующиеся на использовании углеводородных компонентов, но, однако, ещё не нашедшие применения в хозяйственной практике. Для оценки этих технологий в процессе исследований была построена матрица, приведённая в табл. 3.
Таблица 3. Систематизация фазовых состояний углеводородных компонент
Это своеобразная «Таблица Менделеева», позволяющая выявить на основе всевозможных комбинаций фазовых состояний вещества и углеводородных компонентов ещё нереализованные технологии (они в таблице не закрашены). Такими технологиями являются: производство синтетического жидкого топлива из угля, синтез газа из угля, твердотопливных водородных элементов и т.д.
Подтверждает ли патентный анализ выше приведенное движение энергетических технологий? Да подтверждает.
В процессе исследований была систематизирована динамика патентных заявок по энергетике (рис. 11).
Рис. 11 – Среднегодовые темпы прироста (в процентах) патентных заявок за 1998-2009 гг. по направлениям развития Энергетики
Отметим, что в целом по мировой экономике темпы прироста патентных заявок составляют 6 % в год. Что же касается энергетики, то эти темпы равны, примерно, 10 %. Вот так мировая технологическая мысль выстраивает приоритеты в поисках новых технологий, делая ставку на развитие новых технологий в энергетике (среднегодовые темпы прироста патентных заявок в 1,5 раз выше, чем в среднем по экономике).
Однако, патентные заявки в области энергетики имеют сильную дифференциацию по темпам прироста. Так, традиционная энергетика имеет среднегодовые темпы прироста 7-8 %, а возобновляемая - вдвое большие - 16 %. Среди главных драйверов роста энергетических технологий такие как: топливные элементы (22 % в год), ветроэнергетика (31 % в год), геотермальная энергетика (11 % в год), солнечная энергетика (10 % в год).
Реализация первой технологической ступени XXI века, цивилизационный переход в глобальной энергетике, поддержка Правительствами многих стран новых энергетических технологий, а также демографический переход приведёт к изменению параметров развития мировой экономики. Вероятнее всего, вектор душевого ВВП мира изменит своё направление от постоянно растущего к стабилизационному (рис. 15).
Такая смена вектора будет свидетельствовать о трансформации мировой
экономики в экономику повышающейся эффективности. В соответствии с этим,
изменится и вектор развития ВВП мира. Среднегодовые темпы прироста ВВП мира,
примерно, с 3-4 % достигнутых в прошлое десятилетие снизятся, примерно, до
1-1,5 %, и далее мировая экономика будет постепенно входить в фазу «так
называемого» нулевого роста.
Рис. 12 – Прогноз душевого ВВП мира, долл./чел.
Что же касается главного ценового параметра мировой экономики – цены на нефть, то, в соответствии с выше приведенным прогнозом потребления энергоресурсов и показателей развития мировой экономики, её траектория, по всей видимости, может перейти от 4-х-летнего, почти «полочного» состояния, в коридор системного снижения (рис. 13).
Рис. 13 – Прогнозный «коридор» мировой цены нефти, долл./барр.
В этой связи, по всей видимости, вторая волна современного финансового кризиса может быть связана со снижением цены на нефть.
Выше приведенные закономерности развития глобальной энергетики, выявленные на основе междисциплинарных исследований, дают возможность для более «глубинного» понимания основных «движущих сил» этого развития. Полученные оценки и выводы могут стать ещё одной «точкой отсчёта» при формировании новых прогнозов долгосрочного развития ТЭК России.
* В расчётах принимал участие инженер-исследователь Апухтин П.А.
