Электро- и теплогенерация на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) является ведущим трендом развития мировой энергетики, который в России имеет столетнюю историю [1]. В 1980-е годы в СССР большинство технологий возобновляемой энергетики (ВЭ) были конкурентоспособными, а восстановление научных школ, их создавших, началось совсем недавно — в 2020-х годах.
На 1 января 2023 года при общей установленной мощности электрогенерации в РФ 247,6 ГВт (100%) системная возобновляемая электроэнергетика (ВЭС, СЭС, малые ГЭС, ГеоЭС) составляла 55,8 ГВт (22,3%), в том числе: ГЭС — 50,1 ГВт; ВЭС — 2,3 ГВт; СЭС — 2,1 ГВт; МГЭС — 1,22 ГВт; ГеоЭС — 0,074 ГВт [2]. В России эксплуатировались тысячи энергоустановок, в основном СЭС и ВЭС. Теплогенерация на основе ВИЭ обеспечила выработку тепловой энергии 29,8 тыс. ГВт·ч в год, в основном при сжигании дров и древесных отходов. В стране в 2022 году работали два завода по производству фотоэлектрических коллекторов, шесть заводов по сборке ветроэнергетических агрегатов (ВЭА). Подготовку специалистов для ВЭ вели 17 вузов и учреждений РАН. В 2021 году там обучались 219 бакалавров, 108 магистров, 82 аспиранта [3].
Научные школы по возобновляемой энергетике в современной России существуют на пяти кафедрах отечественных вузов и в двух научных учреждениях Российской академии наук (РАН) [4]:
1. Институт гидроэнергетики и энергетики на основе ВИЭ Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт» (ИГВИЭ НИУ «МЭИ», город Москва) специализируется на создании МГЭС, солнечной и ветровой энергетике.
2. Научно-образовательный центр «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (НОЦ «ВИЭ» СПбПУ, город Санкт-Петербург) работает над созданием СЭС и ВЭС для арктических условий, совершенствованием МГЭС.
3. Научно-исследовательская лаборатория возобновляемых источников энергии географического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (НИЛ ВИЭ МГУ, город Москва) выполняет межотраслевые исследования в области ВЭ, экономическое обоснование электрогенерации на основе ВИЭ, работает над водорослевой биоэнергетикой.
4. Кафедра «Атомные электростанции и ВИЭ» Уральского федерального университета (УрФУ, город Екатеринбург) разрабатывает энергоустановки для суровых климатических условий.
5. Кафедра «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ, город Челябинск) специализируется на проблемах повышения надёжности СЭС и на создании малых ветроэнергетических установок.
6. Объединённый институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН, город Москва) является ведущим научным учреждением РАН по геотермальной, солнечной и биоэнергетике.
7. Учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ «ФНАЦ ВИМ», ранее ВИЭСХ, город Москва) занимается исследованием СЭС и биотопливных энергоустановок.
Состояние развития ВЭ в данной статье оценивается по научно-техническим публикациям, материалам конференций и результатам защит диссертаций.
Научно-технические публикации
За последние пять лет (с 2017 по 2022 годы) в Институте гидроэнергетики и ВИЭ НИУ «МЭИ» было опубликовано наибольшее в России число работ по ВЭ — 185 (100%), а в зарубежных и отечественных изданиях (в том числе в журналах баз данных Scopus и т. п.) всего 15 (8%), из Перечня рецензируемых изданий ВАК РФ — 36 (20%). На втором месте по числу публикаций специалисты ЮУрГУ с числом работ 159 (100%), в том числе 92 (58%) в зарубежных журналах баз данных Scopus и Web of Science, и только 61 статья в журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ. За указанный период Лабораторией ВИЭ МГУ было опубликовано меньше работ — 155 (100%), в том числе 75 (48%) в журналах международных баз и 48 (31%) в журналах из перечня ВАК РФ. При этом коллектив лаборатории отличился наивысшей индивидуальной публикационной активностью: 17 работ на одного сотрудника.
Из 378 международных периодических изданий с публикациями по возобновляемой энергетике [5] наибольшую цитируемость в базе данных Web of Science имели журналы по комплексу проблем использования ВИЭ, например, Renewable & Sustainable, Energy Reviews, Renewable Energy, а также специализируемые по отдельным её видам: по солнечной (Solar Energy), ветровой (Wind Energy) и геотермальной энергетике (Geothermal Energy) — табл. 1.
Журнал Solar Energy издаётся компанией Elsevier Science Publishing Co., Inc., совместно с Международным обществом солнечной энергетики (International Solar Energy Society, ISES). Он специализируется на электрои теплогенерации на основе солнечной энергии, концентраторах, опреснителях и т. п. и существенно отличается от другого журнала того же издательства Solar Energy Materials and Solar Cells, который публикует материалы по фотоэлектрическим, фототермическим и фотохимическим преобразователям.
Журнал Wind Energy, издаваемый в Королевстве Нидерландов компанией John Willey & Sons, содержит статьи по оценке ветрового потенциала, результатам эксплуатации ветровых парков. Этот журнал, в отличие от другого периодического издания Wind Energy Science, издаваемого Европейской академией ветровой энергетики (European Academy of Wind Energy, EAWE), даёт читателям более полное представление об опыте развития мировой ветровой энергетики.
Один из ведущих журналов мирового уровня Geothermal Energy размещает статьи по комплексу проблем от исследования геотермальных ресурсов до технологий геотермальной электроэнергетики. Геотермальный журнал Geothermica публикует в основном работы по технологиям разработки месторождений. Издания Biomass & Bioenergy и Bioresource Technology в основном печатают статьи по проблемам получения биотоплив. Работы по электрои теплогенерации на основе биомассы весьма редки.
В мировой научной практике специализированные журналы по ВИЭ, как правило, издаются университетскими научными школами (Geothermal Energy) или профессиональными сообществами (Solar Energy). В России пока не сложились устойчивые научные школы по ВЭ, они малочисленны и рассредоточены по регионам страны. Отечественные профессиональные сообщества предпочитают издавать информационные сборники. Так, Ассоциация развития возобновляемой энергетики (АРВЭ) регулярно публикует отраслевые обзоры [6].
Учредителем международного научного журнала «Гелиотехника» является Академия наук Республики Узбекистан
При отсутствии в настоящее время национальных научных специализированных по возобновляемой энергетике журналов на данном этапе целесообразно наладить сотрудничество с журналами из «дружественных» стран. Например, журнал «Гелиотехника» (в английской версии Applied Solar Energy) издаётся с 1965 года в городе Ташкенте (Республика Узбекистан) на русском и английском языках. В базе данных Scopus данный журнал имеет квартиль Q4.
Основные данные о публикациях статей по ВЭ в российских научных журналах представлены в табл. 2. В журнале «Альтернативная энергетика и экология» публикуются материалы по возобновляемой энергетике, водородным технологиям и экологическим проблемам. В международных библиометрических базах данных он не рецензировался и отсутствует в перечне ВАК РФ. Из 13 указанных в табл. 2 журналов только два рецензируются в базах данных Scopus, Web of Science: «Теплоэнергетика» и «Энергетика высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ». Из перечня ВАК РФ в табл. 2 — девять журналов. Как следует из табл. 2, за пять лет (2018–2022) были опубликованы 610 (100%) статей по ВЭ, в том числе 178 (29%) по комплексу ВИЭ, солнечной энергетике — 149 (24%), ветроэнергетике — 131 (21%). Качество публикаций во многом зависит от наличия в составе редколлегий специалистов по ВЭ (как в журналах «Теплоэнергетика», «Энергетик», СОК), а отсутствие специализации на отдельных видах ВИЭ приводит к снижению качества публикаций.
По общему числу опубликованных статей (117) лидирует журнал СОК («Сантехника. Отопление. Кондиционирование. Энергосбережение. Возобновляемая энергетика»), из них большинство — краткие сообщения о результатах использования ВИЭ. По научной специальности 05.14.08 по перечню ВАК РФ было опубликовано 47 рецензированных статей. Основная тематика статей журнала: комплексы ВИЭ, солнечная и ветровая энергетика. В архиве журнала поиском доступны статьи, как по отдельным темам, так и по авторам. Журнал СОК информирует читателей о соответствующих выставках, конференциях и книгах по ВЭ.
На втором месте по числу опубликованных статей — журнал «Альтернативная энергетика и экология», издаваемый к.т.н. А. Л. Гусевым, — 95 публикаций, из которых 30 посвящены солнечной энергетике, а 26 — ветроэнергетике. На третьем месте с 68 статьями — журнал «Энергосбережение и водоподготовка» (издатель — КубГАУ, город Краснодар), главным редактором которого является д.т.н., профессор Р. А. Амерханов. Приоритетной темой для д.т.н. Р. А. Амерханова является солнечная энергетика.
Согласно табл. 2, по числу статей по комплексному использованию ВИЭ на первом месте журнал СОК — 58 статей, на втором — журнал «Энергия: экономика, техника, экология» (20). По солнечной и ветровой энергетике впереди журнал «Альтернативная энергетика и экология» — 30 и 26 статей. По геотермальной энергетике лидируют журналы «Теплоэнергетика» (17) и СОК — 13 статей. По биоэнергетике больше всего статей (20) опубликовано в журнале «Альтернативная энергетика и экология».
Всего в 2018–2022 годах пятью вузовскими российскими школами ВЭ в зарубежных журналах, рецензируемых в мировых библиометрических базах данных, были опубликованы более 200 статей.
Научно-технические советы и конференции
В 2018–2022 годах некоммерческим партнёрством «Научно-технический совет ЕЭС» (НТС ЕЭС) и профессиональными сообществами (АРВЭ, ветроэнергетической ассоциацией «Ветроэн» и др.), а также научными школами НИУ «МЭИ», МГУ, СПбПУ, УрФУ, ЮУрГУ, ОИВТ РАН, ФНАЦ ВИМ РАН было организовано несколько научно-технических конференций. Научный совет по системным исследованиям отделения энергетики, машиностроения, механики и проблем управления НТП в энергетике РАН (руководитель — академик РАН, д.ф.-м.н. В. Ю. Хомич, учёный секретарь — д.т.н. П. В. Илюшин) провёл несколько заседаний, а НТС ЕЭС — несколько круглых столов секции «Малая и нетрадиционная энергетика» (председатель — д.т.н., профессор М. Г. Тягунов, учёный секретарь — д.т.н. П. В. Илюшин) и секции «Активные системы распределения электрической энергии и распределённые энергетические ресурсы» (председатель — д.т.н. П. В. Илюшин).
Научной значимостью в области ВЭ отличаются четыре российские научно-технические конференции: совместная комитета ВИЭ Союза научных и инженерных обществ (СНИО) РФ и НИУ «МЭИ» (Москва); Школы молодых учёных НИЛ ВИЭ МГУ (Москва), Школы молодых учёных имени Э. Э. Шпильрайна ОИВТ РАН (город Махачкала), Грозненского нефтяного университета имени академика М. Д. Миллионщикова (ГНТУ).
Научно-технические конференции СНИО РФ и НИУ «МЭИ»
Более 20 лет ежегодно проводятся совместные конференции СНИО РФ и НИУ МЭИ под неизменным руководством д.т.н. П. П. Безруких. Тематика докладов на них в последние годы существенно расширилась, что отразилось в названии мероприятия «Возобновляемая и малая энергетика. Энергосбережение. Автономные системы энергоснабжения стационарных и подвижных объектов».
Основанная инициатором развития ВЭ, одним из прежних руководителей Минэнерго России П. П. Безруких, конференция СНИО — МЭИ является самой представительной, как по числу участников, так и по научному уровню докладчиков и широте охвата аудитории — от академиков до студентов. В работе каждой конференции участвуют до 25 представителей отечественной ВЭ, практически все руководители российских научных школ, а традиции ведущей отечественной энергетической школы достойно представляют учёные и аспиранты НИУ «МЭИ».
За последние пять лет на конференциях СНИО — МЭИ было сделано больше всего докладов по ветроэнергетике — 59, из которых проектам и конструкциям были посвящены 25 (табл. 3). На втором месте — тематика комплексного использования ВИЭ. В 2021 году из 61 доклада бóльшая часть (51) была по этой теме. На третьем месте — солнечная энергетика.
Конференции СНИО — МЭИ — одни из немногих, в работе которых участвуют зарубежные учёные (до пяти докладов). Их отличительная особенность — массовое участие аспирантов, студентов и магистрантов (более трети от числа участников, а в 2020 году половина).
Доклады конференции, как правило, публикуются в журналах, входящих в перечень ВАК РФ: «Вестник МЭИ» и СОК. Архив статей журнала СОК позволяет оценить трансформацию основных идей конференции. Существенным недостатком является отсутствие в 2018–2022 годах издания сборников докладов конференции (предыдущий сборник докладов датируется 2015 годом). Весьма редки на этой конференции выступления представителей Минэнерго, ПАО «РусГидро» и других потенциальных заказчиков ВЭ.
Конференции молодых учёных по возобновляемым источникам энергии МГУ являются важными научными площадками, в работе которых, как правило, принимают участие ведущие российские специалисты. Традиции организации этих конференций были заложены ещё в 1999 году первым руководителем Лаборатории ВИЭ МГУ д.ф.-м.н., профессором В. В. Алексеевым и продолжены д.ф.-м.н., профессором А. А. Соловьёвым.
Основными научными направлениями являются: повышение эффективности фотоэлектрических преобразователей; математическое моделирование систем солнечной электрои теплогенерации; современные методы преобразования солнечной энергии в тепло; ресурсы возобновляемых источников энергии; оптимизация параметров ВЭУ и минимизация стоимости энергии; технологии хранения электрической и тепловой энергии; биоэнергетические технологии; геотермальные энергокомплексы; малая гидроэнергетика; экологические последствия жизненного цикла возобновляемой энергетики; геоинформационные технологии ВЭ. Наибольшее число докладов на этих конференциях (97) было сделано в 2018 году (табл. 3). Тогда преобладали выступления по солнечной энергетике — 40.
В 2022 году к организации конференции подключился Институт энергетических исследований (ИНЭИ РАН). Двенадцатью «наставниками», в том числе академиком РАН, д.ф.-м.н., профессором С. В. Алексеенко, были подготовлены доклады о развитии основных видов ВЭ, а среди 26 молодых участников 17 являлись студентами и аспирантами. Доклады этих конференций были изданы отдельными сборниками [7–9].
Вторая российская молодёжная научная школа по ВЭ имени Э. Э. Шпильрайна проводит конференции «Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов» совместно с ОИВТ РАН в Махачкале под руководством д.т.н., профессора А. Б. Алхасова (табл. 3). За минувшую пятилетку она проводилась дважды (в 2018 и 2020 годы). Доклады были посвящены в основном геотермии и скомпонованы в следующие разделы: роль ВИЭ в топливно-энергетическом балансе страны; геотермальная энергетика; теплофизические свойства термальных вод; физико-химия ВИЭ; возобновляемая энергетика; комбинированные энергетические технологии с различными ВИЭ; экологические аспекты ВЭ; экономика ВИЭ.
Из общего числа докладов (81) по тематике ВЭ выступали около половины участников (44). Наряду с учёными ИПГВЭ ОИВТ РАН в работе конференции принимали участие до 13 докладчиков из других научных организаций.
В тематике докладов преобладала геотермальная энергетика — 34 выступления по направлениям: общие проблемы геотермии; результаты геотермальных исследований; оценка запасов и бурение скважин; петрогеотермальные месторождения; моделирование геотермальных месторождений; эксплуатация систем и проблемы отложений геотермальных теплоносителей.
На втором и третьем местах были доклады по солнечной энергетике и комплексному использованию ВИЭ. Материалы конференции изданы отдельными сборниками [10, 11] и доступны в Интернете.
Международная научно-практическая конференция Geoenergo по инициативе д.т.н., профессора М. Ш. Минцаева проведена 6–7 ноября 2019 года в городе Грозный и была четвёртой по счёту. 53 доклада были заслушаны на двух секциях: «Геоэнергетика в России и в мире» и «Технологические аспекты развития геоэнергетики». Они были посвящены комплексному использованию ВИЭ (12), геотермальной энергетике (11) и солнечной энергетике (4) [13]. С 29 сентября по 2 октября 2022 года в Грозном прошла V конференция Geoenergy-2022 по аналогичной тематике.
Аспирантуры и защиты диссертаций
Подготовка научных кадров высшей квалификации в России до 2022 году осуществлялась по направлению 14.06.01 «Ядерная, тепловая, возобновляемая энергетика и сопутствующие технологии» по специальности 05.14.08 «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии» в семи вузах и одном научном учреждении [3], в которых обучались 82 человека, в том числе 21 иностранец. Четыре из указанных учреждений имели диссертационные советы по данной специальности: НИУ «МЭИ», СПбПУ, УрФУ и ФНАЦ ВИМ (табл. 4).
Анализ деятельности этих учреждений по подготовке научных кадров представлен в статье [4]. До 2022 года, в течение 50 лет, основной научной специальностью по ВЭ в нашей стране была 15.14.08 «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии». В 2021 году ВАК РФ отменил её, перенаправив основные направления исследований по ВИЭ в специальности: 2.4.5 «Энергетические системы и комплексы» (п.п. 1–3, 6); 4.3.2 «Электротехнологии, электрооборудование и электроснабжение агропромышленного комплекса» (п. 3) и 2.1.3 «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение» (п. 3). Эта новация, по существу, игнорирует ведущий тренд развития мировой энергетики. Для исследования энергоустановок на основе возобновляемых источников энергии характерна органичная связь энергетических и ресурсных свойств объектов. Так, для создания геотермальной электростанции необходимы знания о месторождениях, режимах их эксплуатации, химическом и газовом составе теплоносителя и т. п.
«Размывание» современных требований по ВЭ по нескольким специальностям приведёт к снижению уровня подготовки учёных. Как следует из табл. 4, специализацию по профилю «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии» декларирует только НИУ «МЭИ». Этот вуз по числу аспирантов в 2022 году лидировал со значительным отрывом. Обучались 18 человек, в том числе шесть иностранцев, однако число защит в диссовете этого учреждения в 2018–2022 годах составило всего четыре, что существенно меньше числа выпускников аспирантуры.
В их специализации преобладала гидроэнергетика. На втором месте аспирантура УрФУ — 16 аспирантов, в том числе девять иностранцев. Их руководителями выступали д.т.н., профессор С. Е. Щеклеин (девять человек) и д.т.н., профессор В. И. Велькин (семь человек). Диссовет УрФУ с 2020 по 2022 годы принял к защите пять кандидатских работ.
При четырёхлетнем сроке обучения ежегодно обучение в аспирантурах со специализацией по ВЭ заканчивали в среднем 60 человек, а за четыре года — 240. За этот период, согласно табл. 4, были защищены только 20 кандидатских диссертаций, а с 2018 по 2022 годы — всего четыре докторских диссертаций.
Современные аспиранты оценивают своё будущее в том числе по общественной значимости и востребованности. Проблемой является отсутствие в современной России концепции развития возобновляемой энергетики как таковой. В РАН работают круглые столы, печатный орган Минэнерго России (журнал «Энергетическая политика») публикует соответствующие статьи. Научной общественностью пока не предложены варианты национальной концепции развития ВЭ с выделением приоритетных направлений. Отсутствуют научно обоснованные оценки количества и научного профиля будущих учёных.
Из табл. 4 следует, что число обучаемых аспирантов было в семь раз меньше количества учёных кафедр и лабораторий, специализирующихся на ВИЭ (148 человек). При четырёхлетнем обучении ежегодно аттестуется до десяти аспирантов, за пять лет — 50 человек; из них в 2018–2022 годах защитились менее половины — 20 человек. Докторские диссертации за указанный период подготовили только пять человек. Перспективные исследования ведут, как правило, доктора наук. За последние 20 лет (с 2004 года) по специальности 15.14.08 в трёх диссоветах (ЭНИН, ВИЭСХ, СПбПУ) были защищены только пять докторских диссертаций. Р. А. Амерханов в 2004 году представил в ВИЭСХ работу «Совершенствование методов оценки сельскохозяйственных энергоустановок на основе ВИЭ». В Кубанском аграрном госуниверситете (КубГАУ, город Краснодар) он основал научную школу энергетики агрокомплексов на основе ВИЭ. В. А. Бутузов в 2004 году в ЭНИН защитил докторскую диссертацию «Повышение эффективности систем теплоснабжения на основе возобновляемых источников энергии», в которой в основном исследовались проблемы геотермальной и солнечной теплогенерации. Результатам широкомасштабных исследований систем энергоснабжения с использованием ВИЭ была посвящена в 2007 году работа О. С. Попеля (ОИВТ РАН). После десятилетнего перерыва, в 2018 году, докторскую диссертацию «Методология определения параметров энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии» в СПбПУ защитил В. И. Велькин. В 2019 году работу «Разработка и исследования предельных фотоэлектрических и тепловых характеристик энергоустановок» во ФНАЦ ВИМ защитил В. А. Майоров, а в 2020-м там же А. М. Пенджиев — диссертацию по проблемам комплексного использования ВИЭ.
Выводы
1. Участие российских учёных в публикациях по возобновляемой энергетике в зарубежных журналах носит эпизодический характер, а статьи иностранных специалистов в российских журналах редки. Практически отсутствуют обзоры публикаций по зарубежным научным школам. В мировых базах данных в 2022 году были только два отечественных научных журнала.
2. Число российских журналов и опубликованных в них статей по ВИЭ (13 изданий, 610 статей) свидетельствует о значительном интересе научно-технической общественности к данному направлению развития энергетики. Только журнал «Альтернативная энергетика и экология» претендует на издание по комплексу ВИЭ, однако в 2022 году он сократил число выпусков. В стране отсутствуют специализируемые по видам энергии издания. Журнал «Гелиотехника» (Applied Solar Energy), издаваемый в Республике Узбекистан, с 2021 года доступен только на английском языке. По числу публикаций лидирует журнал СОК («Сантехника. Отопление. Кондиционирование. Энергосбережение. Возобновляемая энергетика»).
3. Обсуждение научных проблем развития ВЭ в настоящее время происходит на нескольких уровнях: в РАН на заседаниях секций научных советов, в СНИО и НИУ «МЭИ» на ежегодных конференциях, в молодёжных школах МГУ и ОИВТ. В РАН в основном обсуждаются проблемы системной электрогенерации на основе ВИЭ. Конференции СНИО — МЭИ являются наиболее массовыми, а молодёжные школы МГУ охватывают междисциплинарные проблемы. Конференция ОИВТ в Махачкале специализируется на геотермальной энергетике.
4. Будущее возобновляемой энергетики в России определяется подготовкой учёных. До 2022 года в РФ была научная специальность 05.14.08 «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии», необоснованно отменённая в 2021-м. В 2022-м в аспирантурах страны по ВЭ обучались 49 человек, а диссоветы работали в четырёх вузах Москвы, Санкт-Петербурга и Екатеринбурга. При подготовке в 2018–2022 годах 240 аспирантов только 20 из них защитили кандидатские диссертации, что явно недостаточно даже для восполнения коллективов кафедр вузов. Защита за указанный период всего пяти докторских диссертаций по возобновляемой энергетике свидетельствует об отсутствии мотивации учёных.
