Сценарии «что, если» выносят в виртуальный мир

Государственные требования и здравый расчет понуждают промышленников внедрять инновации в экологической сфере

В начале сентября Минприроды России подготовило проект государственного доклада о состоянии и охране окружающей среды в 2020 году. Ряд показателей демонстрируют эффективность мер по снижению негативных воздействий антропогенных факторов. Так, в 2020 году общий объем выбросов в атмосферу сократился на 5% по сравнению с преды­дущим годом и составил 21,5 млн тонн, это минимум за десять лет наблюдений. Значительно уменьшилось и количество случаев высокого и экстремально высокого загрязнения поверхностных пресных вод в 2020 году: в Челябинской области — на 20%, в Тюменской области — в два раза, в ЯНАО — в три, в ХМАО-Югре — в четыре.

Дальнейшее улучшение экологической ситуации в отдельных российских регионах и стране в целом напрямую связано с внедрением новых эффективных технологий природопользования и мониторинга.

— Общемировая «зеленая» повестка, в частности ESG-направление (экологическое социальное управление, Environmental Social Governance. — «Э-У».) в экономике, только формируются, поэтому у России есть все шансы возглавить это направление. Первичные наработки в данной области формировались на базе общедоступных и массовых решений и успеха не имели. Несмотря на повсеместное использование датчиков, контролирующих состояние воздушной среды и воды, зачастую человеческий фактор был источником проблем: неправильно установили, неверно настроили, ошиблись при обработке событий, поступающих с датчиков… Эффективность решений была крайне невысока, — говорит директор по продуктовой стратегии Группы Т1 Сергей Иванов. — Сегодня мы планируем использовать для решения этих задач кратно более эффективные технологии, например в области фотоники датчики с применением технологии однослойных углеродных нанотрубок, спектрально-прецизионных лазеров, которые показывают эффективность безотносительно места и качества установки. Они позволяют на ту же проблематику взглянуть многомерно, в том числе используя предиктивную аналитику и/или машинное обучение для прогнозирования состояния среды и принятия проективных решений до того, как произойдут те или иные события. Это позволяет планировать работы максимально эффективно и сильно «заранее», до их наступления. Экономически такие проекты оправданы: зачастую значительно дешевле предотвратить последствия, чем их устранять. При этом немаловажную роль играет тот факт, что это уникальные российские технологии и разработки, без зависимости от лицензирования и роялти, с минимальными санкционными рисками.

Прозрачный учет

Крупные промышленные предприятия, оставляющие наиболее значительный углеродный след (нефтегазовые, химические, металлургические), уделяют особое внимание контролю за снижением СO2 и других вредных веществ в атмосферу и применяют в производственных нуждах ИТ-решения на основе Big Data, Machine Learning, промышленного интернета вещей, робототехники и пр. Директор по развитию бизнеса ИТ-компании КРОК в нефтегазовой и химической промышленности Игорь Зельдец объясняет увлечение промышленников цифровизацией процессов, связанных с мониторингом и аналитикой в области природопользования, тем, что это способствует повышению прозрачности учета выбросов и снижению рисков, ведущих к изменению климата:

— Один из примеров зеленых цифровых технологий в России — система экомониторинга, которая сейчас внедряется на крупном металлургическом комбинате. Эта система, объединяющая технологии видео­аналитики, геопозиционирования, а также сбора, хранения и анализа данных, позволяет в режиме онлайн моделировать состояние атмосферного воздуха при фактических метеоусловиях и с учетом всех возможных источников выбросов. Если выявляется превышение допустимых концентраций, специалисты предприятий оперативно принимают решение об организации дополнительных мер по снижению выбросов в атмосферу. Еще одним примером применения информационных технологий в промышленности является создание цифровых двойников. Это своего рода виртуальный прототип реальных производственных активов: станков, скважин, турбин, электроники и пр. Технология позволяет управлять ключевыми свойствами изделий, технологическими и производственными процессами, проигрывать сценарии «что, если» без риска вероятной поломки оборудования и механизмов, возникновения аварийной ситуации и нанесения ущербу экологии. Также в России начали использовать в режиме промышленной эксплуатации технологию поиска утечек метана на объектах добычи и транспортировки нефти с помощью беспилотников. В качестве перспективы экологизации производства нужно отметить цифровизацию раздельного сбора и переработки отходов за счет компьютерного зрения, прогнозной аналитики, систем искусственного интеллекта.

По словам директора отдела промышленных решений Skymec (официальный дилер беспилотных летательных аппаратов компании DJI) Антона Ларсена, уже во многих странах беспилотники используются как помощники в лесоохране, промышленности, сельском хозяйстве и других сферах:

— Дроны фиксируют природные, антропогенные и техногенные воздействия на среду и их интенсивность, а также способны спрогнозировать последствия, чтобы вовремя отреагировать на новые вызовы. Это могут быть изменения экологической обстановки в мире или отдельном регионе, трансформация ландшафта и природных ресурсов. Беспилотники просто использовать в работе, они обходятся дешевле, чем пилотируемая авиация или спутники. К тому же их негативное воздействие на окружающую среду минимально.

Игорь Зельдец называет еще одну важную причину повышенного внимания крупных промпредприятий к вопросам экомониторинга и снижения негативного влияния производств на окружающую среду: «Мы ожидаем новое климатическое законодательство, в рамках которого Минэкономразвития разработало систему штрафов для крупнейших эмитентов выбросов парниковых газов. В министерстве предлагают штрафовать бизнес за непредоставление или нарушение порядка подачи отчетности. Система экомониторинга помогает определять основных вкладчиков в загрязнение атмосферы, корректировать стратегию мероприятий, направленных на сокращение выбросов в атмосферу, снижая риск получения штрафов. Мы предвидим углуб­ляющийся тренд на внедрение технологических и цифровых решений со стороны промышленных предприятий на пути к повышению экологичности собственного производства».

Несмотря на повсеместное использование датчиков, контролирующих состояние воздушной среды и воды, источником проблем зачастую был человеческий фактор: неправильно установили, неверно настроили

Уже сегодня российским природоохранным законодательством предусмотрено требование к внедрению автоматизированных систем контроля и учета выбросов в атмосферу в отношении объектов первой категории — крупнейших загрязнителей, на долю которых приходится 60% всех выбросов промышленного производства. Немецкое общество по международному сотрудничеству (GIZ GmbH) консультирует Минприроды России и цементные предприятия по внедрению таких автоматизированных систем.

— Проектирование и установка автоматических систем контроля и учета выбросов требуют значительных инвестиционных затрат. Однако объем данных, которые предоставляют такие системы в режиме реального времени, делают их выгодным вложением в долгосрочной перспективе, — считает глава представительства GIZ в России, руководитель проекта «Климатически нейтральная хозяйственная деятельность: внедрение НДТ в России» Юлия Грищенкова. — Отправка данных о выбросах непосредственно с измерительного прибора органам контроля позволяет значительно сократить затраты при условии, что этот процесс автоматизирован и оператор принимает в нем минимальное участие. Экономится большое количество человеко-часов. Удаленный мониторинг выбросов становится важной частью в предоставлении надежных и проверенных данных непосредственно с завода в органы контроля. Системы сбора цифровых данных позволяют операторам более тщательно отслеживать выбросы во время запуска и остановки оборудования, что в свою очередь помогает разрабатывать более эффективные процедуры, минимизирующие возможное увеличение выбросов в такие технологические периоды. Помимо этого в современной мировой практике управления цементным производством используется компьютеризированная поддержка процессов, а также экспертные системы контроля процессов. Хотя многие из применяемых инструментов и моделей лишь вспомогательные и, следовательно, не относятся однозначно к наилучшим доступным технологиям, их наличие все же служит обязательным условием для эффективной работы, внедрения и дальнейшей оптимизации, например, таких технологий, как высокоэффективная технология селективного некаталитического восстановления азота — одного из методов снижения выбросов оксидов азота в цементном производстве. Моделирование процессов — также важный инструмент развития новых технологий. Так, на основе модели обжига цементного клинкера разработана технология сжигания топлива в кислородном режиме (oxyfuel) и протестированы проекты соответствующих установок.

Инновации на вырост

Одна из проблем в сфере экологического мониторинга заключается в том, что предприятия закупают от разных производителей системы, которые собирают информацию с сенсоров и сохраняют ее в собственную базу данных. В результате у сотрудников предприятия, ответственных за мониторинг, возникает несколько рабочих мест, и каждое функционирует с отдельным программно-аппаратным комплексом. Это не позволяет быстро оценить обстановку в целом, что очень важно при возникновении инцидентов.

— Очевидна потребность в создании интегрированных систем мониторинга, «ситуационных центров» предприятия, которые бы консолидировали данные от разных поставщиков данных (обычно это SCADA-системы, работающие по протоколам OPC), — отмечает руководитель екатеринбургской ИТ-компании «Трини­Дата» Сергей Горшков. — Для создания такого центра надо проделать большую работу, которая заключается в составлении информационной модели предприятия, отражающей разные аспекты его структуры, такие как пространственную компоновку, функциональное и организационное деление. К каждому выделенному элементу (например установке или посту) нужно привязать каталог сенсоров, которые измеряют информацию, в том числе об экологической обстановке. Для этого требуется связать существующие в разных автоматизированных системах каталоги оборудования, датчиков, физических величин, единиц измерения, выполнить их сопоставление с тегами OPC. Затем нужно создать адаптеры, которые смогут получать данные от систем-источников и предоставлять их ПО ситуационного центра. Для решения таких задач хорошо подходят технологии онтологического моделирования, которые позволяют смоделировать все многообразие структурного и функционального деления предприятия, сигналы сенсоров и их взаимосвязь с объектами и явлениями реального мира, правила соответствия сущностей в разных автоматизированных системах. В частности, есть спецификация консорциума W3C Semantic Sensor Network ontology (онтология сети сенсоров), позволяющая стандартным образом смоделировать сеть датчиков и измеряемых ими величин, онтология QUDT, позволяющая автоматизировать преобразование единиц измерения физических величин.

Спрос на новые технологии в сфере экологии настолько велик, что некоторые промышленные холдинги предлагают для высокотехнологичных стартапов собственную акселерационную программу. Например, в августе этого года о запуске акселератора объявила Трубная металлургическая компания (ТМК). Как сообщили в корпоративной пресс-службе, оператором программы выступает Научно-технический центр (НТЦ) ТМК в Сколково. НТЦ будет отталкиваться от запросов бизнес-подразделений компании и формировать перечень направлений, по которым российские и зарубежные стартапы смогут предложить уникальные высокотехнологичные решения. Открыт прием заявок по темам «Новые технологии и решения для трубной промышленности», «Новые материалы и технологии нанесения покрытий», «Водородная энергетика», «Контроль качества», «Цифровые двойники» и «Экология». Порядок взаимодействия со стартапами будет выстраиваться индивидуально и зависеть от степени проработки проекта и его готовности к внедрению на производстве. В рамках акселерационной программы идеи будут дорабатываться с участием представителей НТЦ и предприятий ТМК, а также при необходимости сторонних профильных экспертов. По итогам стартапы смогут рассчитывать на различные формы сотрудничества — от приобретения концепта, технологии или произведенного оборудования до контракта на реализацию проекта.

Важно, чтобы инновационные решения, применяемые в промышленной экологии, как и во всех хозяйственных сферах, внедрялись не только исходя из репутационных выгод, которые приносит следование моде на инновации. Прежде всего такие решения должны быть экономически и экологически эффективными.

Передовой опыт трубников

— Запуская новые производства и выводя из эксплуатации устаревшее оборудование, ТМК фокусируется на минимизации возможного влияния на окружающую среду. В числе инновационных решений, внедренных на предприятиях компании в последний год, можно выделить запуск комплексов водоочистки AQA Генезис на Первоуральском новотрубном заводе и AQA Кристалл на Челябинском трубопрокатном заводе. Внедренные в

комплексе технические решения являются наилучшими доступными технологиями отечественного производства в области экологии. 

Так, на ЧТПЗ современные технические решения обеспечивают полное прекращение сброса кислых стоков с территории предприятия. При этом концентрации по следующим показателям снижаются: общего железа в 6 тыс. раз, взвешенных веществ более чем в 35 раз, сульфатов более чем в 100 раз и хлоридов в 50 раз.

На полигоне захоронения отходов Волжского трубного завода впервые применена геомембрана, благодаря которой отходы оказываются полностью изолированы от контакта с внешней средой и исключают негативное воздействие на окружающую среду и здоровье населения. Фактически «закапсулированные» отходы при дальнейшем развитии технологий по их переработке в продукцию могут быть извлечены для поступления в хозяйственный оборот. Технологии, используемые при обустройстве полигона, позволяют исключить негативное воздействие на окружающую среду размещаемых отходов производства не только в период его эксплуатации: геомембрана сохраняет противофильтрационные свойства более чем 150 лет. Этот опыт будет тиражироваться на другие предприятия ТМК.

Как мы видим на примере внедрения ИT-решений в процессы планирования и производства, цифровые технологии позволяют существенно повысить эффективность бизнеса. Это достигается в первую очередь за счет автоматизации и повышения точности операций, машинной обработки больших объемов данных и исключения ошибок, которые может совершить человек. В сфере промышленной экологии эти инструменты также применимы на целом ряде направлений.

Речь идет, в частности, об автоматическом сборе информации об экологической ситуации на предприятиях, формировании отчетов и аналитике, которая будет помогать руководителям принимать соответствующие решения. Благодаря автоматизированному сбору данных и оповещениям возрастет скорость реакции на возможные внештатные ситуации, аналитика позволит предотвратить сбои и своевременно запланировать модернизацию. ТМК активно работает на этом направлении — в настоящий момент мы изучаем наилучшие варианты создания автоматизированной цифровой системы управления экологией, которая будет включать как систему непрерывного контроля за выбросами и сбросами загрязняющих веществ, так и автоматизацию работы экологических служб.

ПАРТНЕР ПРОЕКТА