Министерство Энергетики

Научно-технологический рывок в нефтегазохимии

Тамара ХАЗОВА
Эксперт Аналитического центра ТЭК РЭА Минэнерго России, к. э. н.
e-mail: Anna.gorshik@yandex.ru

Анастас ГАТУНОК
Директор департамента нефтехимии Аналитического центра ТЭК РЭА Минэнерго России
e-mail: Anna.gorshik@yandex.ru

В России 2021 год объявлен годом науки и технологий. «В науке каждая страна находит свою нишу» (академик Евгений Велихов). Можно с уверенностью сказать, что и каждая отрасль промышленности, включая нефтегазохимию, также занимает свою нишу в развитии науки и модернизации технологий.
Основные направления развития химической науки и технологий в XXI веке формируются под воздействием многообразного и взаимозависимого комплекса факторов и объективных законов экономического, экологического, социального и демографического развития человечества и его жизнеобеспечения.
Как показывает мировая практика, к числу важнейших комплексных глобальных областей развития, вокруг которых группируется познавательная и практическая деятельность человечества в XXI веке, могут быть отнесены:
– изменение климатических условий, деградация экосистем, увеличение вероятности экологических катастроф;
– сохранение экосферы и обеспечение безопасности жизнедеятельности человечества;
– сохранение здоровья населения на фоне высоких пандемических ожиданий;
– энергообеспечение жизнедеятельности человечества;
– обеспечение продовольствием и другими социальными условиями жизнедеятельности людей;
– обеспечение средствами труда производственных и непроизводственных сфер деятельности человечества;
– постоянное совершенствование традиционных и создание новых материалов;
– эффективное использование природных ресурсов для обеспечения жизнедеятельности человечества;
– повышение квалификационного и общего интеллектуального уровня человечества на базе информационной индустрии, связи, цифровизации и развития искусственного интеллекта;
– развитие транспортных коммуникаций для углубленного обмена результатами трудовой деятельности человека;
– изучение возможностей освоения новых пространственных сфер обитания.
Вышеперечисленные сферы развития и объективные предпосылки, определяющие целенаправленность научной деятельности и формирование приоритетов развития науки и технологии, включая нефтегазохимию, полностью вписывается в рассматриваемые области деятельности человечества в настоящее время и в перспективе до 2050 года.

Российская наука сегодня

В современном мире значимость и величие страны характеризуется не занимаемой площадью, а в первую очередь развитой наукой и высокотехнологичной индустрией.
Устоявшаяся в России в период 1990–2010 гг. экономическая парадигма – экспорт углеводородного сырья в обмен на закупки передовых технологий и высококачественной продукции – привела к снижению эффективности научного потенциала, конкурентоспособности изобретательской деятельности и привлекательности научной деятельности в целом.
В результате за прошедшие 30 лет «эффективные менеджеры» и маркетологи, занимаясь анализом и расчетами финансовых потоков, победили ученых и инженеров, способных развивать наукоемкость и технологичность российской промышленности.
Такая политика привела к оттоку высококвалифицированных кадров: ученых и инженеров из страны, которые теперь повышают технологический уровень других стран.
В Советском Союзе разрабатывалась стратегия развития научно-­технического потенциала, ставились системные цели развития науки и техники для повышения технологического уклада промышленности, обеспечивая соответствующее финансирование на реализацию поставленных целей.
В результате советские ученые и инженеры, выполняя лозунг И. В. Курчатова «Обгонять не догоняя», в разрушенной вой­ной стране за 30 лет в период 1945–1975 гг. создали лучшие в мире атомную и космическую отрасли, обеспечив мировое лидерство.
В современной России за 30 лет в период 1991–2010 гг. научно-­техническое развитие не относится к приоритетам. Несмотря на это, оставшейся научной школой созданы отдельные высокотехнологические, лучшие в мире разработки: гиперзвуковое оружие в ВПК и противовирусные вакцины «Спутник V» и ряд других.
Однако отсутствие системности и планирования научно-­технического развития и финансового обеспечения не позволяет оперативно наладить промышленное производство инновационной продукции в нужном объеме, создавая возможности ее экспорта наряду с технологией.
Без четко поставленных целей развития, определения приоритетов наука будет финансироваться по остаточному принципу.
В 2019 г. по расходам на НИОКР в процентах от ВВП, Россия занимала 18‑е место в мире. На рис. 1 представлены сравнительные объемы затрат на науку в отдельных странах мира.
Однако по затратам на науку в натуральном выражении Россия в 2018 г. входила в десятку ведущих экономик мира.

Рис. 1. Затраты на науку, в% от ВВП
Источник: Институт статистики ООН по вопросам образования, науки и культуры (ЮНЕСКО). The World Bank

На рис. 2 представлены затраты на науку в натуральном выражении в 2018 г.
Несмотря на то, что Россия входит в десятку ведущих экономик мира, поддерживающих науку, она уступает по затратам на научные исследования в США в 13 раз, Китае в 11,5 раз, Японии в 4,3 раза, Германии в 3 раза, Ю. Корее в 1,6 раза, Индии в 1,3 раза.
Начиная с 2000 г., расходы на исследования и разработки в США росли в среднем на 4,3 % в год, в Китае – на 17 %, в России – от 1 до 1,2 % в год.
По оценкам НИУ ВШЭ, в 2018 г. затраты на науку в России составили 90,4 % от уровня 1991 г.
В финансировании российской науки и разработок в основном используются государственные средства – 65–67 %, в странах Западной Европы – только 30 %, в США и Китае – около 20 %.

Рис. 2. Затраты на науку в 2018 г. в натуральном выражении (млрд долл.)

Основные вложения в развитие науки и технологии в США, Китае, ЕС осуществляет частный бизнес. В России частный бизнес характеризуется низкой восприимчивостью к научным разработкам и инициативам для их реализации. В настоящее время в мире в области науки заняты около 8 млн человек. На рис. 3 представлена структура численности ученых в странах мира.
Несмотря на то, что Россия занимает десятое место в мире по затратам на науку, в расчете на одного исследователя наша страна занимает 47‑е место в мире.
Затраты на одного исследователя составляют: в Швейцарии – 406,7 тыс. долл., в США – 359,9 тыс. долл., в Китае – 266,6 тыс. долл., в России – 93 тыс. долл.

Рис. 3. Структура численности ученых в странах мира

Такой подход к вложениям в высококвалифицированный человеческий капитал, по словам российского экономиста Александра Аузана, способствует российской науке «истекать в мир мозгами».
По данным Всемирной организации интеллектуальной собственности (World intellectual property organization) по количеству заявок на патенты в 2018 г. Россия занимает седьмое место. В таблице 1 представлены данные по заявкам на патенты в 2018 г.

Таблица 1. Заявки на патенты по странам мира

Анализ основных показателей состояния научно-­исследовательской деятельности в мире показывает, что Россия пока входит в десятку ведущих стран мира. Однако мы существенно отстаем по затратам на одного исследователя, что приводит к низкому уровню технологической оснащенности исследований, к низкому уровню оплаты труда ученых, доступности возможностей. Это снижает привлекательность отечественной науки для молодых специалистов и способствует оттоку высококомпетентных кадров за рубеж. Кроме того, следует констатировать, что в настоящее время научно-­техническая деятельность не оказывает существенного влияния на состояние и развитие российской промышленности, повышение ее эффективности и наукоемкости.
А что конкретно в нефтегазохимии, какова восприимчивость бизнеса к инновациям? Как в мировых научных трендах выглядит российская нефтехимия? Является ли нефтегазохимия экономикой знаний?

Научный рывок в нефтегазохимии

Основу научного потенциала химического комплекса, включая нефтегазохимию, формируют 45 отраслевых научно-­исследовательских организаций, также порядка 30 профильных институтов РАН и вузы (кафедры). Согласно ФЗ № 217, с целью коммерциализации научных идей было создано 600 малых инновационных предприятий при вузах и научных организациях.
Разработками в области химии и нефтехимии занимаются также научные подразделения крупных предприятий и вертикально-­интегрированных структур, однако, лишь в своих узкокорпоративных интересах.
Для повышения технического и технологического уровня нефтегазохимии на базе повышения востребованности результатов научно-­исследовательских работ требуется повышение эффективности взаимодействия и координации всех участников отрасли: государственных учреждений, научных и образовательных организаций, а также как государственных, так и частных компаний и предприятий отрасли.
Исторически так сложилось, что обновление основных фондов в нефтегазохимии осуществляется почти полностью за счет закупки технологий, т. е. трансферт технологий стал основой развития.
В таблице 2 представлен уровень трансферта зарубежных технологий в нефтегазохимии.

Таблица 2. Технологический уровень в нефтегазохимии в РФ

Сохранение таких тенденций не позволяет, с одной стороны, выйти на передовые технологические рубежи (т. к. страны-­конкуренты не заинтересованы в экспорте наиболее прогрессивных технологий), а с другой стороны, зависимость от импортных технологий и оборудования приводит к снижению востребованности собственного научно-­технического потенциала, росту барьеров между наукой и производителем.
Ситуация осложнена тем, что предлагаемые российским научным сектором исследования и разработки, выполненные даже на мировом уровне, не находят широкого применения в российской нефтегазохимии ввиду общей низкой восприимчивости к инновациям российского предпринимательского сектора. Прибыль и уровень рентабельности за счет системы ценообразования и налогообложения позволяет частным предпринимателям работать на устаревших технологиях и выпускать традиционную продукцию 1 и 2 поколения.
В Плане развития газо- и нефтехимии на период до 2030 года предусматривается реализация инвестиционных проектов по производству мономеров, полимеров, каучуков, продукции органической химии, предложенных ведущими нефтегазохимическими компаниями: «Газпром», «Роснефть», «СИБУР Холдинг», «ЛУКОЙЛ», «Нижнекамскнефтехим», «РусГазДобыча», «Иркутская нефтяная компания», «Саянскхимпласт», ГК «Титан» и др.
Все инвестиционные проекты, включенные в план, базируются на трансферте зарубежных технологий, закупаемых на основании лицензионных соглашений.
Российский нефтегазохимический бизнес предпочитает трансферт технологий, что обусловлено с одной стороны отсутствием конкурентоспособных отечественных разработок, а с другой стороны невозможностью их аппаратурного оформления из-за неразвитости химического и нефтяного машиностроения.
Однако закупаемые у зарубежных фирм технологии по лицензионному соглашению не допускают применения российских научно-­технических разработок для интенсификации процессов вплоть до истечения срока действия лицензии.
Из вышеизложенного очевидно, что уровень исследовательской инфраструктуры, инновационной деятельности и производственной базы нефтехимии на сегодняшний день не вполне отвечает современным требованиям, отстает от мирового уровня, что предопределяет решение следующих проблем:
– разработка механизма формирования и утверждения приоритетных направлений научно-­технологического развития в области нефтегазохимии;
– повышение эффективности взаимодействия и координации всех участников отрасли: государственных учреждений, научных и образовательных организаций, а также компаний и предприятий отрасли;
– создание эффективных механизмов регулирования и стимулирования бизнеса для повышения востребованности результатов научно-­исследовательских работ для повышения технического и технологического уровней производства;
– устранение несоответствия между объективными потребностями промышленных предприятий в современных научно-­технических разработках и предложениями научно-­исследовательских и проектно-­конструкторских организаций.
На базе проводимого в рамках Плана‑2030 системного комплексного анализа, экономической диагностики и экспертной оценки сформированы приоритетные направления развития научных исследований и разработок в области нефтегазохимии, которые требуют программной реализации в ближайшие 10–20 лет.
В таблице 3 представлены приоритетные направления реализации науки и техники в области нефтегазохимии, способные обеспечить инновационное развитие отрасли.

Таблица 3. Приоритетные направления развития науки и техники в области нефтегазохимии

Представленные выше приоритетные направления развития науки и техники в области нефтегазохимии способствуют инновационному развитию предприятий на основе совершенствования их технического, технологического, экономического и экологического уровней.
В настоящее время перед российской нефтегазохимией стоит важнейшая задача быть отраслью, производящей научные знания и на их основе обеспечивающей функционирование своего производства, или оставаться поставщиком сырья и продукции первых переделов.
Однако российская нефтегазохимия обречена на трансферт технологий из-за неконкурентоспособности отечественных научно-­технических разработок.
В то же время большие возможности в обеспечении мирового лидерства современной российской науки в нефтегазохимии является развитие современного материаловедения на базе создания новых поколений нефтехимической продукции, в частности, полимерных материалов и композитов на их основе для различных отраслей промышленности.
В качестве первоочередных мер, актуальной и своевременной задачей является разработка технологической платформы «Полимерное материаловедение» на базе отечественных научных исследований как основы создания техники новых поколений: в авиации, космосе, оборонной промышленности, автомобилестроении, строительстве, электронной технике и связи, медицине, при реализации 3D-технологий и других отраслей, т. е. химизация экономики России.
В рамках технологической платформы «Полимерное материаловедение» в первую очередь необходима ликвидация дефицита и усиление импортозамещения на рынке крупнотоннажных полимеров (полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ), полистирол (ПС), полиэтилентерефталат (ПЭТФ)) и среднетоннажных полимеров (полиуретаны (ПУ), АБС-пластики, полиамиды (ПА), поликарбонат (ПК), полиметилметакрилат (ПММА), полибутилентерефталат (ПБТ), сополимер стирола с акрилонитрилом (САН), полиоксиметилен (ПОМ)), многие из которых в России не производятся (ПБТ, ПА‑66, ПА‑12, САН, ПОМ и др.).

Производство полистирола
Источник: gogiyan / Depositphotos.com

Одновременно с устранением дефицита полимеров необходимо сосредоточиться на производстве полимеров с заданными свой­ствами на базе:
– модификации свой­ств традиционных полимеров путем сополимеризации мономеров, например этилена и пропилена, этилена и стирола, этилена и винилацетата, этилена с высшими олефинами;
– использования химических и радиационных методов модификации полимеров, сшитый ПЭ, хлорированный ПВХ и ПЭ (ХПВХ и ХПЭ);
– модификации за счёт введения различных добавок (пластификаторов, антиоксидантов, вспенивающих агентов, отвердителей, модификаторов удара, смазок, свето- и термостабилизаторов и др.), что позволит создавать полимеры с улучшенными и специальными свой­ствами;
– компаундирования полимеров с различными минеральными наполнителями (мел, тальк, аэросил, слюда и др.) с целью повышения физико-­механических свой­ств;
– создания высокопрочных композиционных материалов, наполненных высокопрочными волокнами (арамидными, углеродными, стекловолокном);
– получения полимер-­полимерных смесей и сплавов на основе ПВХ, ПС, ПП, ПЭ, ПЭТФ, ПА, АБС-пластиков;
– создания нанокомпозитов: выбор полимерной матрицы и наполнителей (ПБТ и наноглины, полимерные матрицы и нанотрубки и т. д.);
– разработки технологий вторичной переработки полимеров и создание материалов с заданными свой­ствами на базе смесей с первичными полимерами.
Реализация технологической платформы «Полимерное материаловедение» обеспечит российскую промышленность высокотехнологичной полимерной продукцией и повысит возможность выхода этой продукции на мировые рынки.
Производство прогрессивных полимерных материалов новых поколений требует модернизации и интенсификации технологических процессов на базе использования катализаторов, инициаторов, каталитических и инициирующих систем с повышенной активностью и избирательностью. Катализаторы новых поколений будут способствовать повышению селективности технологических процессов, т. е. созданию процессов, обеспечивающих выход из сырья максимального количества качественных целевых продуктов и минимума побочных, что, безусловно, является основой создания малоотходных и безотходных производств. На рис. 4 представлена модель технологической платформы «Полимерное материаловедение».
В XXI веке развитие мировой экономики без развития индустрии пластмасс практически невозможно. К сожалению, российский нефтегазохимический бизнес не осознает, что мировая экономика стоит на пороге нового современного материаловедения и возможности технологических прорывов в различных отраслях промышленности, а именно: создание широкого ассортимента полимерных композитов, цифровых материалов на базе компьютерного дизайна, полимерных композитов на основе графена, нанокомпозитов.
Российская наука занимается разработкой рецептуры полимерных композитов на мировом уровне на основе ПАН-волокна, стекловолокна, углеродного волокна, графена. Так, научно-­производственное предприятие «Полипластик» является ведущим производителем полимерных композитов по полному циклу – от науки до производства конкретных материалов.

Рис. 4. Модель технологической платформы «Полимерное материаловедение»

В 2021 г. в индустриальном парке Тульской области создан научный центр «Композитная долина», который объединяет ученых кафедры химической технологии и новых материалов химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, научно-­производственное объединение «Унихимтек», Госкорпорацию «Росатом», Всероссийский научно-­исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ) и еще порядка 40 технологических компаний.
Развитие промышленного производства полимерных композитов требует создания сырьевой базы: средне- и малотоннажных конструкционных и специальных полимеров, армирующих волокон, связующих. В настоящее время около 30 % сырья приходится импортировать.
На базе МГТУ им. Н. Э. Баумана создается центр цифрового материаловедения. В консорциум вошли ряд институтов РАН, Госкорпорация «Росатом», вузы. Основной целью работы центра станет создание нового цифрового подхода к разработке, испытанию, производству и применению новых материалов: полимерных композитов, аддитивных материалов и технологий, новых конструкционных и функциональных материалов, «зеленых» материалов и технологии их переработки (биосовместимые, биоразлагаемые, экологически безопасные).
В этой связи вызывают интерес фундаментальные исследования, обладающие принципиальной новизной: спиновой химии, т. е. дизайн молекулярных магнетиков – возможность синтезировать готовое изделие сразу как целевой микрообъект из исходных молекулярных компонентов (Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН).
Развитие фемтохимии, т. е. изучение химических реакций на очень коротких временных интервалах, порядка фемтосекунды, что дает возможность управлять реакцией (Институт химической физики им. Н. Н. Семёнова РАН).
Активные исследования в мире проводятся по развитию химии одиночных молекул, что позволяет из отдельных атомов строить наномасштабные конструкции с уникальными техническими свой­ствами в качестве элементов наноэлектроники, нанооптики, наномеханики, а также новых наноматериалов для химии, техники и медицины (Институт проблем химической физики РАН).
Теоретические и фундаментальные исследования на базе созданных программ, позволяющих предсказывать новые необычные химические соединения под высоким давлением, проводимые в Сколковском институте науки и технологии и Новосибирском институте химии твердого тела и механохимии СО РАН, позволили внести поправки к расчетам электроотрицательности (способности атома оттягивать на себя электроны). Понятие электроотрицательности впервые было введено в 1932 г. нобелевским лауреатом Лайнусом Полингом при расчете энергии химических реакций. Расчеты электроотрицательности, проведенные российскими учеными, предсказывают не только энергию химических реакций (по Полингу), но еще проводимость, свой­ства кристаллов, цвет при создании алгоритма новых химических соединений.

В 2021 г. в индустриальном парке Тульской области создан научный центр «Композитная долина», который объединяет ученых кафедры химической технологии и новых материалов химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, научно-­производственное объединение «Унихимтек», Госкорпорацию «Росатом», Всероссийский научно-­исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ) и еще порядка 40 технологических компаний.
Развитие промышленного производства полимерных композитов требует создания сырьевой базы: средне- и малотоннажных конструкционных и специальных полимеров, армирующих волокон, связующих. В настоящее время около 30 % сырья приходится импортировать.
На базе МГТУ им. Н. Э. Баумана создается центр цифрового материаловедения. В консорциум вошли ряд институтов РАН, Госкорпорация «Росатом», вузы. Основной целью работы центра станет создание нового цифрового подхода к разработке, испытанию, производству и применению новых материалов: полимерных композитов, аддитивных материалов и технологий, новых конструкционных и функциональных материалов, «зеленых» материалов и технологии их переработки (биосовместимые, биоразлагаемые, экологически безопасные).
В этой связи вызывают интерес фундаментальные исследования, обладающие принципиальной новизной: спиновой химии, т. е. дизайн молекулярных магнетиков – возможность синтезировать готовое изделие сразу как целевой микрообъект из исходных молекулярных компонентов (Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН).
Развитие фемтохимии, т. е. изучение химических реакций на очень коротких временных интервалах, порядка фемтосекунды, что дает возможность управлять реакцией (Институт химической физики им. Н. Н. Семёнова РАН).
Активные исследования в мире проводятся по развитию химии одиночных молекул, что позволяет из отдельных атомов строить наномасштабные конструкции с уникальными техническими свой­ствами в качестве элементов наноэлектроники, нанооптики, наномеханики, а также новых наноматериалов для химии, техники и медицины (Институт проблем химической физики РАН).
Теоретические и фундаментальные исследования на базе созданных программ, позволяющих предсказывать новые необычные химические соединения под высоким давлением, проводимые в Сколковском институте науки и технологии и Новосибирском институте химии твердого тела и механохимии СО РАН, позволили внести поправки к расчетам электроотрицательности (способности атома оттягивать на себя электроны). Понятие электроотрицательности впервые было введено в 1932 г. нобелевским лауреатом Лайнусом Полингом при расчете энергии химических реакций. Расчеты электроотрицательности, проведенные российскими учеными, предсказывают не только энергию химических реакций (по Полингу), но еще проводимость, свой­ства кристаллов, цвет при создании алгоритма новых химических соединений.

Одиночные атомы кобальта на графене,
легированном азотом
Источник: scitechdaily.com

В мировой экономике активизировалась борьба за лидерство в производстве графена и материалов с его добавками. Впервые графен был получен в 2004 г. в Манчестерском университете физиками российского происхождения Андреем Геймом и Константином Новоселовым, за что в 2010 г. они получили Нобелевскую премию. Графен – трехмерный кристалл, состоящий из атомов углерода, упакованных на плоскости в шестиугольники толщиной в один атом. Он позволяет создать самые разнообразные композитные материалы, включая полимерные, с уникальными свой­ствами: повышенной прочностью, долговечностью, устойчивостью к внешним воздействиям. Исследованием графена в мире занимается более 300 компаний. Лидером в исследованиях графена является Китай. В Китае создана индустрия новых материалов на его основе, в Евросоюзе запущен проект Graphene Flagship с бюджетом миллиард евро.
По числу исследований этого материала Россия сегодня находится на 14‑м месте в мире. В отечественных научных разработках используется низкосортный, однако достаточно дешевый китайский графен. Институт графена в Москве создал на основе собственной технологии первую в России установку полупромышленного типа для производства чистого (99,6–99,8 %) графена, по качеству выше китайского.
В России в научных лабораториях ряда исследовательских институтов и университетов, в частности, в Северо-­Восточном федеральном университете им. М. К. Амосова (г. Якутск), в Санкт-­Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения (г. Санкт-­Петербург), в Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН (г. Новосибирск), проводятся исследования по созданию новых материалов на основе графена, включая высокоэффективные катализаторы, нанокомпозиты, композиты с высокой прочностью.
Графен повлиял на бизнес, впервые сделан крупнейший частный вклад в российскую науку. В. Потанин выделил из личных средств 500 млн руб. на создание лаборатории, разрабатывающей новые функциональные материалы с программируемыми свой­ствами на базе графена, под руководством Константина Новоселова.
А что же частный нефтегазовый бизнес так и будет заниматься развитием «трубопроводной» экономики, экспортируя нефтегазохимическое сырье?
Стратегия научно-­технического развития, включая нефтегазохимию, предопределяет комплексное, системное выстраивание цепочки: идея – фундаментальная наука – прикладная наука – технологии – производство – потребление. Такой подход требует изменения в программах образования.
Так, реализация перспективного научно-­технического развития нефтегазохимии, в частности, технологической платформы «Полимерное материаловедение» требует новой формы сотрудничества: вуз – бизнес-­сообщество – предприятие.
Основным направлениями такой формы сотрудничества должны стать:
– целевой набор студентов;
– финансовая поддержка со стороны бизнеса;
– трехсторонний договор между предприятием, вузом и студентом;
– подготовка специалистов по заказу предприятий, переподготовка кадров;
– внедрение в отрасль новых специальностей и направлений подготовки целевого высшего образования, в частности по специальности «Полимерное материаловедение и смежная инженерия».
На современном этапе развития мировой экономики и в перспективе до 2050 г. нефтегазохимический бизнес должен осознать, что будущее определяется образованием, наукой и инновационным производством, а не добычей сырья.