И в будущем (прогноз до 2030 г., см. рис. 2) уверенное лидерство по приросту генерирующих мощностей будет принадлежать углю. Далее по приоритету идут газ, гидроэнергия с возобновляемыми источниками, и совсем небольшая роль отводится атомной энергии.
Одна из основных причин преобладания «грязного» угля над «чистым» природным газом и другими видами топлива — оптимальное соотношение цен на топливо. Газ стоит гораздо дороже угля, например, в США — в пять раз. Иная ситуация в России. Традиционно внутренние цены на газ ниже цен на уголь раза в полтора, и нет никаких стимулов для развития угольной энергетики. Поэтому в России, наоборот, наибольший вклад в производство электрической энергии вносит газ (46 %) и лишь 18 % — уголь. Однако и в РФ ситуация начинает меняться в сторону общемировых тенденций. Недавно опубликован документ под названием «Целевое видение стратегии развития электроэнергетики России на период до 2030 года» (ОИВТ РАН, 2007), который представляет собой экспертный анализ, выполненный огромным количеством специалистов под руководством академика А. Е. Шейндлина, с учетом официально принятой «Энергетической стратегии развития России на период до 2020 года».
В таблице (рис. 3) показан прогноз выработки электроэнергии в РФ по сценарию «2000», который означает удвоение производства электроэнергии в РФ к 2030 г. до оптимального значения 2050 млрд кВт/ч в год. Последняя цифра коррелирует с важнейшим экономическим показателем — ВВП на душу населения, который достигнет величины 30-35 тыс. долларов на человека. А это почти соответствует нынешнему показателю для США, в 4-5 раз превышает сегодняшнее значение для РФ и вдвое больше критического значения 18 тыс. $/чел., выше которого, как считается, человек чувствует себя комфортно. Можно полагать, что уже сложилось новое понимание развития российской энергетики, которое формулируется следующим образом: сокращение потребления газа и мазута в энергетике за счет ускоренного развития угольной энергетики (то, что называют «второй угольной волной») и далее по приоритету — гидроэнергетики и атомной энергетики (см. также статью С. В. Алексеенко, Н. И. Воропая и Г.И. Грицко в «НВС» № 4, 2007). В силу большой составляющей газа в энергетике России его роль по-прежнему велика. Но главный тезис здесь — повышение эффективности ТЭС на газе за счет модернизации, а не массовое строительство новых станций. А вот роль возобновляемых источников энергии (ВИЭ), к сожалению, по всем прогнозам пренебрежимо мала — на уровне нескольких единиц процентов. К 2030 г. доля газа упадет с 46 до 37 %, а угля с мазутом вырастет от 20 до 27 %. Конечно, этот процесс будет сопровождаться регулированием соотношения цен на топливо. Отметим еще важный момент, касающийся атомной энергетики. Ее роль снизится до 13 % из-за невозможности быстрого развития, но затем заметно вырастет до 22 %. Хотя Росатом рассматривает иные прогнозы. Для Сибири описанная стратегия принципиально важна, поскольку основными источниками энергии определены уголь и гидроэнергия.
Столь исключительная позиция угля в энергетике накладывает на угольные технологии также исключительно высокие требования с точки зрения экологии. Каковы же здесь мировые тенденции? Главную из них можно назвать теплоэнергетикой без Рассматриваются три технологии. По первому способу реализуется обычная схема получения энергии путем сжигания топлива, а на последней стадии (post-combustion capture) происходит извлечение Описанные ТЭС называют также «Zero Emission Power Plant». Ряд стран и фирм разработали перспективные программы. Так, итальянская энергетическая компания «ENEL» запатентовала процесс ISOTERM©Flameless Oxy-Combustion (изотермическое беспламенное сжигание в кислороде), отработала процессы сжигания угля, газа, жидкого топлива, отходов, водо-топливных смесей на опытном стенде 5 МВт и выделяет 4,1 млрд евро в 2007-2011 гг. на создание демонстрационного завода мощностью 48 МВт. Важное замечание — при опытном сжигании муниципальных отходов не обнаружено никаких следов диоксинов и фуранов. Справедливости ради отметим, что планы по
Теплофизические проблемы энергетики.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
| Рис. 4. Поле скоростей в отсоединенном пламени (метод: PIV) |
Также особо отметим новые подходы к процессам горения, в частности «Flameless» (беспламенное) и «OxyFuel» (сжигание в кислороде), которые позволяют реализовать низкоэмиссионные методы сжигания вплоть до возможности полного секвестирования
Повышение КПД ТЭС на природном газе
Данный вопрос исключительно важен в связи с преобладающим вкладом природного газа в российскую энергетику. Методы повышения КПД общеизвестны и основаны на применении парогазовых установок (ПГУ) с КПД до 55-60 %. В схеме с ПГУ газ сначала сжигается в газовой турбине ГТУ, где вырабатывается часть электроэнергии с КПД 35-40 %, а затем продукты сгорания направляются в паровой котел-утилизатор, из которого пар идет на паровую турбину с выработкой остальной части электроэнергии. В мире практически все новые станции запускаются с ПГУ. В России действуют только две ТЭС с ПГУ по 450 МВт. Ожидается принятие решения, в соответствии с которым модернизация ТЭС на газе в РФ будет осуществляться только с применением ПГУ. Возможны надстройки в виде ГТУ и для небольших котельных с переводом их в разряд мини ТЭЦ. В частности это касается котельной № 2 Новосибирского научного центра (ННЦ) с возможностью генерации 30 МВт (э).
Когенерация
Одновременное производство электричества и тепла давно стало особенностью российской энергетики. Но в данном случае речь идет о дополнительной генерации электроэнергии на паровых котельных с высокими параметрами пара. Потенциал России составляет 25 ГВт (12 % общего производства в РАО «ЕЭС России»), причем удельный расход топлива в два раза меньше, чем в РАО «ЕЭС России». Подобный проект с противодавленческой турбиной 6 МВт был начат впервые в стране компанией «Турбокон» (Калуга) в ННЦ, но пока не завершен.
Угольные технологии
Основной путь совершенствования существующих и проектируемых ТЭС — повышение термического КПД паротурбинного цикла путем увеличения температуры и давления пара до сверхкритических параметров — 565° С, 25 МПа. Дальнейшее развитие (Европейская программа «Thermie» и др.) предполагает переход на еще более высокие суперсверхкритические параметры — до 600-700° С и 35 МПа с соответствующим повышением КПД до 47-55 % против средних 35 % в мире. Главная проблема при этом — конструктивные материалы. Однако возможна упрощенная реализация указанного подхода через высокотемпературную паровую турбину, в которой допускается повышение температуры пара даже до 1500° С за счет дополнительного сжигания водорода в кислороде перед турбиной, не затрагивающего элементов котла (проект ФЦП: «Турбокон», МВТУ им. Баумана, МЭИ, ИВТ РАН, ИТ СО РАН). Для угольного энергоблока разумно попытаться получить водород из угля путем газификации и конверсии. Но остается также проблема получения кислорода, как и для процесса OxyFuel.
Новой многообещающей технологией следует считать применение микроугля с механоактивацией. В отличие от стандартного помола (100 мкм) размеры частиц микроугля составляют 5-40 мкм. Малый размер и большая поверхность микроугольной пыли приводят к высокой интенсивности горения, а дополнительно обнаруженный эффект механоактивации означает еще и снижение температуры воспламенения. Вместе взятые факторы позволяют сделать вывод, что микроуголь горит как газ или мазут. Поэтому его можно использовать как основное топливо в малых газомазутных котлах; для розжига крупных пылеугольных энергоблоков и даже для прямого сжигания в газовых турбинах при размоле до 5-10 мкм. Но при этом немедленно возникают две проблемы — взрываемость угольной пыли и большие энергозатраты на микропомол. Первая из них исчезает, если пыль не хранить, а готовить непосредственно перед подачей в горелку. Вторая проблема решена путем подбора и изготовления подходящих мельниц, а именно виброцентробежной мельницы (ВЦМ) ИХТТМ СО РАН и так называемой дезинтеграционной мельницы. В последней основными элементами являются два вращающихся со скоростью 6000 об/мин в противоположных направлениях диска со стальными пальцами. Проходящий уголь перемалывается за счет ударного воздействия. Энергозатраты на микропомол в обеих мельницах составляют порядка 25 кВт ч/т, как и при стандартном помоле в шаровых барабанных мельницах. Но дезинтегратор дает более высокую степень механоактивации, чем ВЦМ, что показано в обширной серии экспериментов на горячем стенде ИТ СО РАН мощностью 1 МВт при сжигании разных видов угля. Уже к лету ожидаются промышленные испытания системы сжигания микроугля в 60 МВт котле. Кроме того, смонтирован стенд для прямого сжигания микроугля в газовой турбине ГТУ мощностью 20 кВт. Основной мотив для сжигания угля в ГТУ состоит в том, что ожидаемый КПД будет близок к КПД парогазовой установки!
Несомненно, наиболее перспективное направление в угольных технологиях связано с глубокой переработкой угля (газификация, пиролиз). Несмотря на богатую историю, это направление не получило широкого распространения в мире, но сейчас интерес начинает возрастать как по экологическим, так и экономическим соображениям. В СО РАН развивается ряд подходов, например, плазменно-паровая газификация (филиал ИТ в Гусиноозерске), плазменные технологии с использованием дугового плазмотрона (ИТ СО РАН) и плазмотрона с жидкими электродами (МНЦТЭ), технология слоевой газификации «Карбоника» (ЗАО «Карбоника», Красноярск). На основе последней предложен комплекс по глубокой переработке угля для Кузбасса с одновременной выработкой тепла, электроэнергии, кокса и т.д. Здесь чрезвычайно важен организационный момент, и есть надежды на активизацию работы Центра глубокой переработки угля СО РАН, а также вновь создаваемого Кузбасского технопарка со специализацией по угольной тематике. Из других угольных технологий заслуживают внимания: метод плазменной безмазутной растопки пылеугольных котлов; технология сжигания водоугольного топлива, реализованная недавно на промышленном котле Новосибирского завода газобетона в Матвеевке; метод конверсии органических веществ, включая уголь, в сверхкритической воде (СКВ) с параметрами Р > 22 МПа, Т > 374° С. Этот метод уникален по своим возможностям, поскольку СКВ действует как плазма, но при намного меньших температурах. Такие вещества как уголь, нефтяные остатки, биологические илы, канализационные стоки могут быть конвертированы в простые горючие продукты или жидкое топливо. Разработаны конкретные проекты для Новосибирска.
Гидроэнергетика
В этом разделе энергетики лидерство принадлежит Ленинградскому металлическому заводу (ЛМЗ), с которым у институтов СО РАН давние творческие связи. Основными задачами являются разработка адекватных математических моделей для расчета проточных частей гидроагрегата; совершенствование формы лопаток; экспериментальная диагностика течений; диагностика размеров и форм элементов турбоагрегатов. В качестве успешных примеров сошлемся на уже упомянутый пакет программ «σFlow», который был адаптирован к задачам гидроэнергетики и на его основе рассчитаны такие сложные явления как формирование спирального прецессирующего вихревого жгута в отсасывающей трубе гидротурбины, образование кавитационных полостей и кавитационный износ. В плане диагностики специально для гидроэнергетики разработан и изготовлен трехкомпонентный лазерный анемометр на полупроводниковых лазерах, а также комплекс аппаратуры для динамической диагностики формы ротора гидроагрегата Саяно-Шушенской ГЭС.
Атомная энергетика
Энергетическая стратегия не предусматривает развития атомной энергетики в Сибири. Однако для СО РАН участие в атомных проектах представляет несомненный интерес в силу огромного потенциала Сибирского отделения по атомной тематике. В частности, важнейшим аспектом является проблема безопасности атомной энергетики, тесно связанная с разработкой теплогидравлических кодов по безопасности АЭС, которые основаны исключительно на теплофизических процессах. Вышесказанное послужило причиной организации филиала Института безопасного развития атомной энергетики РАН (ИБРАЭ) в ИТ СО РАН. Среди поставленных задач — разработка теплогидравлических кодов нового поколения и решение теплофизических проблем атомной энергетики. Для активизации деятельности в СО РАН обсуждается вопрос о создании Межотраслевого центра по безопасности АЭС на базе ИТ СО РАН. Уже разработан план до 2015 г. по развитию расчетных кодов нового поколения для АЭС, в т.ч. с реакторами на быстрых нейтронах. Должны быть учтены также такие эффекты как трехмерность, многофазность, локальность, многомасштабность. В основу заложены существующие коды СОКРАТ и КОРСАР. Кроме того, ведутся интенсивно теоретические и экспериментальные исследования явления разрыва трубопровода с перегретой водой и процессов переноса в тепловыделяющей сборке (ТВС) АЭС с учетом влияния дистанцинирующих и перемешивающих решеток. Заказчики — ТВЭЛ, НЗХК, «Гидропресс».
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ)
ВИЭ включают в себя биомассу и отходы, ветер, солнечную энергию, геотермальное и сбросное тепло, малые реки. Технический потенциал России составляет 4,6 млрд тонн условного топлива, что в 5 раз больше общего энергопотребления. Уже отмечалось, что вклад ВИЭ в производство электроэнергии пренебрежимо мал. Однако следует учесть актуальность ВИЭ для отдаленных районов, особенно в Сибири, а также огромную перспективу в будущем и наукоемкость большинства видов ВИЭ при их разработке. Поэтому необходимость развития ВИЭ очевидна, но мы коснемся здесь лишь нескольких направлений, по которым в СО РАН имеется крупный задел.
При утилизации геотермального и сбросного тепла вне конкуренции проявляют себя тепловые насосы, которые позволяют экономить до 50 % топлива при производстве тепла. Институт теплофизики с партнерами лидируют в стране по разработке как абсорбционных, так и парокомпрессионных тепловых насосов. Ряд разработок полностью готов к широкомасштабному промышленному выпуску. Но, как уже не раз заявлялось, массовое применение тепловых насосов возможно только в рамках реализации крупных государственных программ, как это уже было в Швеции, Японии, США.
Сделаем еще замечание по геотермальному теплу. Западная Сибирь — самый богатый регион по запасам геотермальной энергии, в особенности Новосибирская (t £ 39° С) и Томская (t £ 85° С) области. И следует на это обратить внимание. А еще одна огромная потенциальная возможность — глубинное тепло, под которым подразумеваются практически неисчерпаемые запасы тепловой энергии горячих твердых пород с t = 100 — 300° С на глубинах от нескольких до 10 км. Уже есть экономически оправданные предложения, к которым также надо внимательно отнестись.
Солнечная энергия, прежде всего фотоэлектричество, всегда рассматривалось в числе самых перспективных ВИЭ. Но на сегодня это самый дорогой вид электроэнергии, хотя в мире и наблюдается бум. Из ряда развиваемых в СО РАН направлений отметим только одну технологию, которая привлекает к себе повышенное внимание — струйный плазмохимический метод, позволяющий получать аморфный, нано- и микрокристаллический кремний для тонкопленочных солнечных элементов с предельно высокой скоростью осаждения кремния — на два порядка выше в сравнении с традиционными плазмохимическими методами. Принцип заключается в создании сверхзвуковой струи моносилана в атмосфере аргона и облучении ее из электронной пушки. Взаимодействие электронно-пучковой плазмы с нагретой подложкой и приводит к формированию слоя кремния. В ИТ СО РАН действует опытно-промышленный стенд, созданный при поддержке ОАО «ТВЭЛ». В ближайших планах — организация промышленного производства солнечного кремния совместно с «Квантом» и «Норильским никелем».
Больная тема для России — утилизация твердых бытовых отходов (ТБО). В стране действуют только два современных мусоросжигательных завода. По-прежнему считаю, что необходимо строительство других заводов по термической переработке ТБО, но при соблюдении европейских нормативов по вредным выбросам. Конечно, этот способ — промежуточный этап при переходе к более совершенным технологиям. Сейчас в числе наиболее подходящих проектов — Комплексная районная тепловая станция (КРТС), разработанная ИТ СО РАН, Техэнергохимпромом и ВНИПИЭТ на основе низкотемпературного сжигания в барабанной вращающейся печи. Производительность — 40 тыс. тонн ТБО в год с выработкой тепловой энергии. Продуктивно действующий мусоросжигательный завод в Пхукете (Таиланд) подтвердил это мнение. Что касается высокотемпературных плазменных методов переработки с использованием электродугового плазмотрона (ИТ СО РАН) или плазмотрона с жидкометаллическими электродами (МНЦТЭ), то они могут быть эффективно применены для уничтожения опасных и медицинских отходов, может быть, даже в составе КРТС.
Новые типы энергоисточников
Здесь подразумеваются новые типы горелочных устройств, водородная энергетика с водородом как промежуточным энергоносителем и топливные элементы. Из разработанных в СО РАН горелочных устройств упомянем каталитические теплофикационные установки ИК СО РАН для низкотемпературного сжигания жидких топлив при температуре 600-700° С в псевдоожиженном слое катализатора, а также высокоэффективные пористые горелки мощностью до 2 МВт (ТНЦ, ИХКГ, ИВММГ СО РАН). Новая технология сжигания некондиционных топлив с использованием каталитических свойств наночастиц сажи предложена в ИТ и ИХКГ СО РАН. Предусмотрена автоматическая подача водяного пара в зону реакции при недостатке окислителя, поэтому сначала происходит газификация топлива, а затем дожигание горючих компонентов.
Говоря о водородной энергетике, имеют в виду прежде всего масштабное производство водорода и его использование в топливных элементах (ТЭ) — электрохимических генераторах, которые представляют собой простые и экологически чистые устройства с максимальными значениями КПД до 50-70 %. Из множества оригинальных разработок приведем два показательных примера по неводородным топливным элементам. Первый из них касается портативного топливного элемента на жидком топливе — растворах боргидридов, которые после водорода являются наиболее энергоемкими веществами (9 100 Вт·ч/кг теоретически и 600 Вт·ч/кг реально). Конструкция стандартная — воздушный катод, щелочной электролит, анод и топливная камера, но с множеством ноу-хау. Мощность 1,3 Вт, возможность подзарядки мобильных телефонов до 24 часов. Еще одно преимущество — безопасность в сравнении с водородом или метанолом. Главный результат — впервые в мире в Ирландии компанией «More Energy» (Израиль), с которой у ИТ СО РАН контракт, этот ТЭ запущен в массовое производство в количестве 1,5 млн штук в месяц (см. рис. 5).
 |
| Рис. 5. Портативный топливный элемент на растворе боргидридов |
Другой пример — тоже портативный топливный элемент, который использует совсем безопасное и также очень энергоемкое вещество — алюминий в качестве топлива и анода. Эта работа ведется в рамках программы РАН и ФЦП и доведена до лабораторного образца с возможностью запуска в малосерийное производство.
Нанотехнологии в энергетике
Бум в области нанотехнологий не обошел стороной и энергетику. Так, углеродные наноструктуры (фуллерены, нанотрубки) благодаря высокоразвитой поверхности и уникальным теплофизическим свойствам могут найти применение в мембранах и катодах для топливных элементов. В ИТ СО РАН предложен ряд плазменных и термических методов синтеза углеродных наноструктур, в том числе с вкраплением катализатора — частиц платины и палладия. Данный материал уже эффективно использован для изготовления воздушного катода в упомянутом выше алюминиевом топливном элементе. Но, пожалуй, самое многообещающее чисто теплофизическое направление связано с применением наножидкостей (жидкостей с наночастицами) в качестве теплоносителя в энергетике. Уникальность наножидкостей состоит в том, что ничтожно малые добавки наночастиц (доли процента по объему) приводят к огромным изменениям в свойствах: росту теплопроводности до 12 %, теплоотдачи — до 60 %, критического теплового потока (который определяет кризис теплоотдачи) до 200 % и даже до 500 % (!) при наклоне поверхности нагрева. Материал наночастиц — оксиды меди и алюминия и др. Все это означает возможность существенного снижения металлоемкости энергетического оборудования или увеличения производительности в теплоэнергетике, криогенике, атомной энергетике, космической энергетике. Например, оценки MIT (USA) показывают, что применение наножидкостного теплоносителя в АЭС может поднять производство электроэнергии на 20 % без каких-либо изменений в технологической схеме!
Энергосбережение
Эффективный подъем экономики страны невозможен только за счет роста энергопотребления. Обязательное условие — энергосбережение, потенциал которого в России достигает 40 % от энергопотребления. К сожалению, после некоторого оживления, существенных успехов в России не наблюдается, в первую очередь, из-за отсутствия экономических стимулов и жизнеспособных программ энергосбережения. В СО РАН вопросы энергосбережения решаются на уровне Совета по энергосбережению и соответствующей финансируемой программы, которая рассматривает все основные вопросы, актуальные для СО РАН и регионов Сибири: учет и регулирование потребления тепла; методы стимулирования энергосбережения; автономные источники тепла; системы теплоснабжения; энергосберегающие источники света; энергосбережение в строительстве и др. Мы не будем в деталях обсуждать вопросы энергосбережения, которые неоднократно рассматривались на заседаниях Президиума СО РАН и на страницах «НВС». Подчеркнем лишь, что программа «Энергосбережение СО РАН» — одна из немногих реально действующих программ в стране.
Выводы и предложения
1. При выполнении НИР и НИОКР в области энергетики следует ориентироваться на новые приоритеты в развитии Российской энергетики с учетом общемировых тенденций, а именно — опережающее развитие угольных технологий с повышенными экологическими требованиями, в т.ч. с секвестированием
2. В теории горения усилия должны быть направлены на низкоэмиссионные методы сжигания, включая Flameless и OxyFuel горение.
3. В области атомной энергетики актуальной задачей является разработка расчетных теплогидравлических кодов нового поколения для АЭС, в т.ч. с реакторами на быстрых нейтронах. С целью развертывания этих работ в СО РАН с учетом имеющегося потенциала целесообразно создание межотраслевого центра по безопасности АЭС на базе ИТ СО РАН со строительством отдельного корпуса.
4. Несмотря на пренебрежимо малый вклад ВИЭ в энергетику, целесообразно развивать в СО РАН ряд направлений, по которым имеется крупный задел: утилизация сбросного и геотермального тепла тепловыми насосами; переработка муниципальных и промышленных отходов, а также биомассы; солнечная энергетика.
5. Учитывая будущую актуальность новых направлений энергетики и достижения СО РАН в этой области, необходимо развивать топливные элементы как водородного, так и неводородного (алюминиевые, боргидридные) типов. Предусмотреть возможность выпуска подобной продукции в рамках деятельности Технопарка.
6. Нанотехнологии в энергетике имеют явные перспективы уже в ближайшем будущем. Особо отметим возможность применения наножидкостей как теплоносителя с уникальными свойствами, а также углеродных наноструктур в качестве перспективного материала для мембран и катодов в топливных элементах.
7. Рост экономики не может быть эффективным только за счет роста энергопотребления. Обязательное условие — энергосбережение, потенциал которого в России достигает 40 % от энергопотребления. Следует продолжить в СО РАН выполнение работ по энергосбережению с учетом новых требований и возможностей.
P. S. По итогам обсуждения доклада чл.-корр. РАН С. В. Алексеенко на Президиуме СО РАН по предложению Председателя СО РАН ак. Н.Л. Добрецова принято решение о создании нового Научно-координационного совета, который рассматривал бы актуальные задачи по новым энергетическим технологиям и координировал подобную деятельность в Сибирском отделении.
стр. 1, 3, 5
Версия для печати
(постоянный адрес статьи)
http://www.sbras.ru/HBC/hbc.phtml?3+458+1