Прорывные технологии и инновации

В Прогнозе развития мирового лесного сектора до 2060 года отмечается, что развитие науки в перспективном периоде за счет «прорывных инноваций» может существенно изменить темпы и возможности реализации инновационных сценариев (Buongiorno et al., 2012). Для лесного сектора России прорывные технологии являются единственным путем выхода на инновационный путь развития. Двадцатилетняя задержка в развитии лесного комплекса Российской Федерации открывает уникальную возможность реализации инновационного сценария за счет комплексной реконструкции существующих предприятий на базе научных достижений предшествующих двух десятилетий, новейших поколений техники и технологии. Наиболее целесообразным путем реконструкции существующих предприятий будет переход на производство наукоемкой продукции. Для многих отечественных производств такой путь является единственным путем выживания в условиях мировой конкуренции и свободной торговли.

Предприятия лесного сектора, которые были спроектированы и построены в середине прошлого века, ныне подлежат полной реконструкции. Реконструкция позволит создать принципиально новые предприятия ХХI века, минуя те стадии, которые проходили лидеры мирового лесного комплекса за последние десятилетия. Иными словами, лесной комплекс России должен «перешагнуть» через стадии, которые поэтапно проходил в последние десятилетия лесной комплекс передовых лесопромышленных стран. Реализация такой модели технологического и интеллектуального прорыва требует очень серьезного научного и кадрового обеспечения, предвидения рынков и тенденций развития на несколько десятилетий вперед.

К прорывным технологиям лесного сектора относятся информационные, нано- и биотехнологии. Информационные и компьютерные технологии используются при создании геоинформационных систем (ГИС). Эти системы необходимы для выявления и уточнения фактических запасов древесины и разработки оптимальной стратегии ее заготовки. Геоинформационные системы обеспечивают оперативный учет заготовки и транспортировки леса, противопожарный контроль, контроль цепочек поставок, контроль затопления водохранилищ при строительстве новых гидроэлектростанций. Развитие этих технологий привело к структурным изменениям в ассортименте и объемах бумажной продукции. В частности, появился новый класс бумаги – офисные бумаги. Их доля в общем объеме выпускаемой бумаги и картона в мире стремительно растет. Одновременно снижается доля газетной бумаги. Развитие компьютерных технологий в строительстве привело к появлению понятия «умный дом». Совместное использование компьютерных технологий и биотоплива второго поколения (пеллет) в индивидуальных автоматизированных отопительных системах позволило перейти к «зеленому строительству» домов. Обогрев таких домов программируется по дням недели и времени суток и отличается высоким КПД сжигания древесины. Сочетание деревянного домостроения, компьютерных технологий и древесных пеллет обеспечит сверхаддитивный эффект, улучшит экологию и экономику лесного сектора.

Нанотехнологии используются для получения новых видов композиционных материалов на основе древесины и ее компонентов. Принцип биотехнологий реализуется при создании новых промышленных технологий переработки древесины. Крупные диверсифицированные биотехнологические производства используют возобновляемые ресурсы и производят различные виды материалов и биотоплива, органические растворители, химические соединения, корма и энергию. Такие предприятия принято называть биоперерабатывающими заводами (БПЗ), или биорефайнингами. Биорефайнинг древесины считается магистральным путем развития целлюлозно-бумажной промышленности Северной Америки и Западной Европы. В этих странах развитие биорефайнинга связывают с изменением бизнес-модели и переходом от концепции стволового бизнеса к модели диверсификации бизнеса. В настоящее время в мире распространены БПЗ первого поколения, работающие на пищевом сырье и ориентированные в основном на производство биотоплива. В ближайшие 10 лет ожидается появление второго поколения БПЗ, способных экономически выгодно утилизировать непищевую биомассу – древесину и ее отходы, лигноцеллюлозу, микроводоросли, отходы городского и сельского хозяйства. Уже в настоящее время в мире широкое применение находят получаемые из древесного сырья так называемые «пищевые волокна» и микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ). В Россию эти продукты практически полностью импортируются. Достаточно широкое применение находят получаемые из древесного сырья так называемые «кормовые волокна».

Путь в «зеленую» экономику, или биоэкономику, является магистральным эволюционным путем развития современных технологий всего лесного комплекса. Зеленая экономика базируется на использовании возобновляемых ресурсов и источников энергии для целей устойчивого материального производства.

Анализ перспективного спектра инноваций для развития российского лесного сектора целесообразно начать с анализа развития лесного сектора мира в последние два десятилетия. Этот анализ позволит отобрать направления, которые актуальны для российского лесного комплекса в период до 2030 года и далее.

Комплексная программа развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года (Био-2020, 2012) была утверждена Председателем Правительства Российской Федерации в апреле 2012 года. Она опирается на лучший мировой опыт и отечественные разработки по созданию высокотехнологичного производства.

Развитие устойчивого лесного хозяйства базируется на ряде прорывных инноваций, в том числе на разработке научных основ и технологий сочетания использования естественных лесов и плантаций. Это сочетание принципиально важно для устойчивого обеспечения целлюлозно-бумажной промышленности, особенно в условиях реконструкции действующих предприятий. Реконструируемые предприятия за 40–50 лет своей работы в значительной степени использовали существовавшую лесосырьевую базу. Дальнейшая эффективная работа этих предприятий связана с увеличением дальности транспортировки древесины и ее удорожанием. Программа Био-2020 предусматривает доведение площади плантаций быстрорастущего леса к 2015 году до 20 тыс. га и к 2020 году до 100 тыс. га.

Разработка принципов и подходов к обоснованию форм, видов и возрастов рубок лесных насаждений с учетом оценки их влияния на сохранение полезных функций лесов предусматривает: (1) научное обоснование возрастов рубок лесных насаждений в целевых хозяйствах; (2) разработку прогрессивных технологий лесозаготовок; (3) разработку научных основ и принципов ведения лесного хозяйства в «энергетических» лесах; (4) развитие многоцелевого использования и воспроизводства лесов, выращивание целевых насаждений для удовлетворения многочисленных потребностей российской лесной промышленности, повышение уровня охраны и защиты лесов.

Особенно эффективно использование прорывных инноваций в межсекторальных разработках внутри лесного комплекса, а также совместно с другими секторами экономики. Программа Био-2020 предусматривает рост применения биопрепаратов в нефтегазодобыче к 2020 году в 5 раз по сравнению с 2010 годом. Доля биомассы в общем объеме сырья химической и нефтехимической промышленности должна увеличиться до 15%.

Примером эффективного использования прорывных инноваций в межсекторальных разработках внутри лесного сектора является биотехнологическая переработка избыточного активного ила и других шламов с использованием вермитехнологий. Полученный биогумус может быть применен для выращивания саженцев с закрытой корневой системой с последующим их использованием для плантационного выращивания необходимых лесных пород. Такая технология может быть рекомендована и для переработки шламов из шламонакопителей, и для рекультивации техногенных ландшафтов. Программа Био-2020 предусматривает рост доли переработки сырья с использованием биотехнологий с 5% в 2015 году до 10% в 2020 году.

По направлению «специальные химикаты» программа предлагает следующие совместные приоритеты научных разработок: разработка конкурентоспособных биопродуктов на основе древесной и другой растительной биомассы; подготовка кондиционного альтернативного сырья для производства химических продуктов путем комплексной химико-биологической переработки древесины, получение специальных химикатов и новых поколений композитов на основе компонентов древесины.

Особое место в программе Био-2020 занимает создание биоразрушаемой тары и упаковки. Программа предусматривает доведение доли биоразлагаемых материалов в общем объеме потребляемых полимерных изделий в 2020 году до 10%, в том числе в упаковочной отрасли – до 30%.

Программа Био-2020 предусматривает увеличение производства твердого биотоплива с 3 млн т в 2010 году до 18 млн т к 2020 году. По направлению «биоэнергетика» предлагаются следующие приоритетные области научно-технических разработок: производство твердого и других видов биотоплива; технологии совместной генерации тепло- и электроэнергии и методов направленного значительного увеличения выпуска электроэнергии; биорефайнинга древесины с совместным производством целлюлозы, ассортимента новых химических продуктов, в частности биоразлагаемых полимеров, энергии и биотоплива.

Инновационный сценарий может быть реализован только на основе использования прорывных технологий и инноваций в лесном секторе. Научное и кадровое обеспечение инновационного развития наиболее эффективно реализуется на базе частно-государственного партнерства, в частности, через технологические платформы. Именно такой путь осуществляется в настоящее время в Северной Америке (Agenda 2020, 2012) и в Европейском Союзе (FTP, 2012).

В последней редакции проекта европейской лесной технологической платформы (FTP, 2012) рассматриваются основные направления развития лесного сектора до 2020 года. (1) Ответственное использование лесных ресурсов включает: лесную экологию и экосистемные услуги; увеличение продукции биомассы и смягчение последствий изменений климата; целевые запасы древесины; каскадное и повторное использование материалов. (2) Многоцелевое использование лесов включает: лидерство в промышленности; эффективность использования ресурсов в промышленном производстве; решения по возобновляемым источникам энергии; устойчивое управление водными ресурсами; концепцию биорефайнинга; модели нового бизнеса и концепции услуг. (3) Удовлетворение спроса потребителей включает: строительство из древесины; изменение структуры жилищного строительства; изделия из древесины для дома и мебель; новые биопродукты; интеллектуальные решения по упаковке; гигиенические, диагностические продукты, «здоровое питание»; новые решения в печатной продукции. Эти же направления положены в основу российской национальной программы.

Программа Био-2020 рассматривает технологические платформы как основной путь финансирования научных исследований на принципах частно-государственного партнерства. Российская лесная технологическая платформа (2012) является составной частью российской технологической платформы «Биоиндустрия и биоресурсы» БиоТех2030 (2012). В составе платформы имеются 19 направлений, из которых восемь касаются непосредственно ЦБП. Национальная исследовательская программа российской платформы была разработана во взаимодействии с европейской лесной технологической платформой. Она рассматривает ряд «прорывных инноваций», охватывающих как технологии, так и материалы, а также принципы их совместного использования. При этом в программе уделяется большое внимание и переходу к «наилучшим существующим технологиям», понятие о которых было введено в экологическом законодательстве США, Европейского Союза (IPPC) и Российской Федерации. Проблемы предотвращения глобального изменения климата, оценки и минимизации «углеродного» и «водного следа», энергосбережения и повышения энергоэффективности являются основополагающими на всех стадиях жизненного цикла изделий, материалов и технологий. Все эти вопросы должны рассматриваться как ступени перехода к экологической «зеленой экономике».

Целью раздела «Целлюлозно-бумажная продукция» российской лесной технологической платформы является создание и реализация инновационной модели развития ЦБП Российской Федерации, прежде всего на основе поэтапной эколого-технологической реконструкции существующих предприятий. Реализация такого пути приводит, однако, к появлению ряда новых вопросов и проблем. Они связаны с устойчивым лесообеспечением, повышением энергоэффективности, необходимостью решения ряда экологических проблем. В Российской Федерации, являющейся родиной кислородной отбелки, переход к бесхлорной отбелке неоправданно затянулся. В настоящее время Российская Федерация остается практически единственной страной, продолжающей использовать молекулярный хлор для отбелки. Переход к бесхлорной отбелке при реконструкции существующих предприятий решает вопрос лишь частично, так как остается проблема утилизации накопившихся за несколько десятилетий шламов и реконструкции шламонакопителей, содержащих миллионы тонн опасных шламов, в том числе хлорорганических соединений. Применение биотехнологий в этом случае – основной путь решения.

Параллельно с ростом потребления бумаги и картона будет происходить и инновационное изменение структуры волокнистых полуфабрикатов, используемых для их производства. Для этого будут разработаны научные основы оптимизации структуры волокнистых полуфабрикатов ЦБП, расширения использования вторичных волокон (макулатуры) и минеральных наполнителей.

Инновационное развитие целлюлозно-бумажного производства обеспечивают следующие основные направления. (1) Разработка ресурсо- и энергосберегающих технологических процессов производства целлюлозы, химико-термомеханической массы, бумаги, картона и переработки макулатуры. (2) Создание нового ассортимента конкурентоспособных видов бумаги, картона и композиционных материалов в соответствии с наилучшими существующими технологиями для решения проблем импортозамещения и обеспечения интеграции Российской Федерации в мировой рынок целлюлозно-бумажной продукции: (i) разработка технологий производства бумаги для печати, в том числе мелованной, для цифровой печати, с покрытиями различного назначения на основе химико-термомеханическихмассы и целлюлозы, производимых без хлора; (ii) создание новых биоразлагаемых упаковочных материалов общетехнического и специального назначения; (iii) разработка и освоение производства новых видов бумаги и картона с экологически безопасными барьерными покрытиями; (iv) разработка перспективных технологий производства технических, санитарно-гигиенических бумаг и композиционных материалов; (v) разработка и внедрение новых видов бумаги и картона с использованием продуктов нанотехнологий и инновационных химикатов.

При этом необходимо разработать научные основы снижения экологической нагрузки целлюлозно-бумажных предприятий на окружающую среду: (1) переход к бесхлорной отбелке; (2) оптимизация систем водопользования и реконструкция систем водооборота на целлюлозно-бумажных предприятиях; (3) переход к энергосберегающим технологиям и расширение использования отходов переработки древесины для производства и использования биотоплива; (4) снижение количества и токсичности жидких, газообразных выбросов и твердых отходов за счет перехода к наилучшим существующим технологиям; (5) внедрение передовых технологических процессов, нового оборудования и материалов; (6) выработка критериев оценки ущерба от загрязнений химическими веществами; (7) приведение российских правил и нормативов промышленной безопасности к международным стандартам, (8) использование отходов переработки древесины для рекультивации техногенных ландшафтов и др.

В целом по ЦБП к 2030 году могут быть достигнуты следующие экологические показатели: (1) степень использования вторичного волокна – 52%; (2) процент целлюлозы, отбеленной по бесхлорной технологии, – 100%; (3) сокращение удельного расхода воды – 55%; (4) энергосбережение – 30%; (5) использование биотплива – 70% потребленной энергии.

Совместное использование «прорывных инноваций» может дать «сверх-аддитивный» эффект и позволит реализовать инновационный сценарий стратегии развития отечественного лесного сектора, повышения его конкурентоспособности и решения проблем импортозамещения.

Российский лесной сектор направлен на многоцелевое, непрерывное и неистощительное использование лесов с учетом их биологического разнообразия и глобального экологического значения. Ключевой принцип современной лесной политики – устойчивое управление лесами, сохранение средообразующих, водоохранных, защитных, санитарно-гигиенических, оздоровительных и иных полезных функций лесов.

Осуществление приоритетных инвестиционных проектов с элементами инноваций позволяет целенаправленно перейти к реализации инновационного сценария развития. Примером может являться проект «Лиственница». Это – совместный проект ОАО Группы «Илим» и Санкт-Петербургского государственного университета растительных полимеров. Проект «Лиственница» непосредственно относится к инновационному развитию лесного комплекса на базе частно-государственного партнерства. Государство выделяет субсидию в размере 150 млн руб. Такую же сумму затратит ОАО Группа «Илим». Реализация проекта позволит российскому лесному сектору сделать принципиально новый шаг в использовании ресурсов Сибири и Дальнего Востока. Речь идет о принципиальном изменении существующей лесосырьевой базы в экономически доступной зоне.

Для успешной реализации инвестиционных программ целлюлозно-бумажных предприятий особое значение имеет кадровое обеспечение и подготовка персонала к работе с инновационными технологиями. Кадровое обеспечение производства наукоемкой продукции связано, прежде всего, с важнейшим аспектом этой проблемы - инженерными кадрами, с созданием инновационной сети подготовки и переподготовки инженерных и научных кадров. В связи с переходом к новым технологиям требуются специалисты, обладающие широкими знаниями в области инновационных технологий наукоемких видов целлюлозы, бумаги и картона, тары и упаковки, ресурсосбережения, оптимизации системы водопользования целлюлозно-бумажных предприятий, создания новых материалов и технологий.

Инновационные методы организации научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИИОКР) включают использование механизма частно-государственного партнерства, совмещение во времени фундаментальных, прикладных и опытно-технологических работ, целенаправленное развитие экспериментальной базы, масштабирование при переходе от исследовательских работ в лабораторных условиях к опытно-промышленной проверке, системный анализ состояния и тенденций развития мировых рынков лесопродукции. Инновационный подход предусматривает интеграцию научного потенциала университетов и академических институтов России, планомерное привлечение к работе ведущих зарубежных ученых и специалистов, использование современного исследовательского оборудования отечественных и мировых научных центров, широкое привлечение студентов, аспирантов и молодых ученых к участию в проектах. Механизм российских и зарубежных технологических платформ включает взаимодействие с международными структурами ООН и неправительственными организациями.

Одним из ключевых элементов построения биоэкономики в Российской Федерации является международное сотрудничество. Научные исследования, инжиниринг, организация новых производств, развитие рынков – все эти задачи требуют (1) активного участия международных компаний и специалистов, (2) интеграции усилий российских ученых и предпринимателей в мировую систему производства новых знаний, технологий и продуктов и (3) взаимодействия со структурами Организации Объединенных Наций (ФАО, ЕЭК ООН), европейскими и международными организациями.

Выводы и рекомендации