Размышления о некоторых проблемах энергетики

О поиске новых надежных, экологичных энергетических технологий, которые могли бы решить проблему повышения энергоэффективности.

Александр Шейндлин
Размышления о некоторых проблемах энергетики
"Экономические стратегии", №8-2004, стр. 34-39

Шейндлин Александр Ефимович — почетный директор Института высоких температур РАН, академик, лауреат Международной энергетической премии «Глобальная энергия» 2004 года

Совершенствование основных технологий производства электроэнергии

Начиная с 1950-х годов отечественная электроэнергетика была одной из лучших в мире. Однако в последние годы как никогда остро встала проблема ее технического перевооружения. Суммарная мощность российских электростанций сегодня превышает 215 млн кВт. Свыше 20% составляют ГЭС, более 10% – АЭС и почти 70% – тепловые электростанции (ТЭС), работающие на природном газе (63%) и твердом топливе (28%). В структуре отечественной энергетики значительное место занимают ТЭС, рассчитанные на сверхкритические параметры пара, с энергоблоками мощностью 250, 300, 500, 800 и 1200 мВт. По всем прогнозам, потребление энергии будет расти, потому на данном этапе основной задачей становится повышение энергоэффективности. Переход на новые, очень надежные, экологичные энергетические технологии – единственный способ достижения этой цели.

Если КПД по выработке электроэнергии на лучших отечественных паросиловых ТЭС, работающих на газе, не превышает 39%, то на современных парогазовых установках (ПГУ) он достигает 55-60%, а выбросы в атмосферу вредных веществ, например окислов азота, в расчете на 1 кВтч, на порядок ниже, чем в паросиловых установках. Основу ПГУ составляют газовые турбины большой мощности с КПД, приближающимся к 40%, и температурой газа на входе до 1500°С. В мире ПГУ получили широкое распространение. В России введен в эксплуатацию лишь один энергоблок ПГУ-450 на Северо-Западной ТЭЦ Ленэнерго. Этого явно недостаточно.

Исследования свойств веществ и процессов

Важнейшей задачей науки является изучение свойств веществ, которые можно эффективно использовать в энергетике. Возьмем, например, углерод. Казалось бы, мы все о нем знаем, однако это далеко не так. Даже фазовая диаграмма углерода и температура его плавления до сих пор не уточнены. Если такие фазы углерода, как графит и алмаз, хорошо изучены, то недавно синтезированные структуры, например фуллерены и карбин, изучены недостаточно. Уже сейчас просматриваются новые возможности в использовании углерода в энергетике, в частности получение так называемых нанотрубок, с помощью которых можно решить проблему хранения водорода при использовании его в водород-воздушных топливных элементах.
В ядерной энергетике необходимо провести широкие исследования весьма перспективного топлива на основе нитрида урана, обладающего большей теплопроводностью, чем используемый сегодня диоксид урана. Как известно, наиболее эффективными теплоносителями для перспективных энергетических установок – в первую очередь для установок атомной энергетики с реакторами на быстрых нейтронах – являются жидкие металлы. Их уникально высокая теплопроводность обусловливает наилучшие теплосъемные характеристики, а низкое давление насыщенного пара обеспечивает преимущества в конструкции оборудования и удобство его эксплуатации.

Сегодня весьма актуально использование в качестве теплоносителей щелочных металлов – лития, натрия, калия, рубидия, цезия, имеющих низкие температуры плавления и плотность. Особенно интересны двойные и тройные сплавы щелочных металлов: варьирование их компонентного состава дает возможность, во-первых, регулировать их свойства в зависимости от требований эксплуатации установок, а во-вторых, максимально расширить рабочий температурный диапазон жидкой фазы как в сторону высоких, так и в сторону предельно низких температур.

Кроме того, представляют интерес эвтектики (1) многокомпонентных систем как фазопереходные аккумуляторы тепла. На основе 3- и 4-компонентных систем, состоящих из Li, Na, K, MgF, Cl, Br, SО4, удается создать эвтектические системы, которые плавятся в интервале температур 500-600°С, что делает их пригодными для использования на солнечных электростанциях. Важно, что эти эвтектики имеют высокую теплоту плавления/затвердевания – на уровне 500 кДж/кг. Особое значение сегодня придается изучению веществ с так называемыми необычными свойствами (например, сохранение памяти и др.).

В области фундаментальных исследований весьма важной для энергетики представляется проблема повышения электропроводности плазмы (в связи с созданием высокоэффективных плазменных МГД-установок), а также изучение процессов, связанных с применением ряда новых теплоносителей в перспективных энергетических установках, в частности гидродинамики, теплообмена и коррозионных характеристик свинца с соответствующими добавками. Этот теплоноситель предлагается для применения в ядерных реакторах нового вида – на быстрых нейтронах.

Проблемы эффективного использования органического топлива

Природный газ

На мой взгляд, необходимо прекратить использование природного газа в качестве основного топлива в электроэнергетике и разработать государственную программу перехода на уголь и другие сравнительно малоценные первичные источники энергии – отходы газонефтепереработки, сланцы, бытовые отходы, топливо с выработанных и малодебитных месторождений, попутные газы при нефтедобыче и т.п. В случае разумного использования природного газа в энергетике речь должна идти не только о повышении эффективности, но и о поиске новых экономически оправданных его источников. Что касается первого, то здесь следует упомянуть о все более широко внедряемых парогазовых установках. Примером второго являются упомянутые многочисленные малодебитные и выработанные газовые месторождения.

Поставки природного газа на внутренний рынок по действующим ценам убыточны, что приводит к росту напряженности его баланса. Поскольку газ обеспечивает почти половину внутреннего потребления энергоресурсов (в Европейской части – свыше двух третьих), его дефицит означает прямую угрозу энергетической безопасности страны.

Нефть

Если разведанных запасов нефти нам хватит чуть более чем на 20 лет, газа – на 90 лет, то угля и природного урана – на многие сотни лет. Поэтому к 2020-2025 году структура расходуемого на ТЭС топлива должна измениться в сторону уменьшения доли мазута до 3-4%, что корреспондирует с увеличением глубины переработки нефти.

Уголь

Уголь должен стать основным видом органического топлива для крупной энергетики. Однако не имеющий аналогов в мире перекос цен на взаимозаменяемые энергоносители – газ, уголь и мазут – искажает мотивацию потребителей и создает завышенный спрос на природный газ. Чтобы перевести тепловую электроэнергетику с газа на уголь, необходима правильная инвестиционная политика. Аккумуляция собственных и привлечение внешних средств в топливно-энергетические отрасли невозможна без радикального изменения ценовой политики в естественных монополиях.

Теплофикация

В конце 20-х – начале 30-х годов прошлого века по инициативе ряда отечественных энергетиков было предпринято массовое строительство крупных ТЭС, вырабатывавших не только электроэнергию, но и тепло. Созданная тогда система теплофикации успешно функционировала многие годы. Сегодня в системах централизованного теплоснабжения вырабатывается около 1,4 млрд Гкал в год, из них порядка 0,8 млрд Гкал в год – на теплоэлектростанциях. Протяженность трубопроводов составляет более 250 000 км. При этом, по некоторым оценкам, около 80% сетей требуют замены или капитального ремонта и не менее 15% находится в аварийном состоянии. На каждые 100 км тепловых сетей ежегодно регистрируется в среднем 70 повреждений. Теплопотери в тепловых сетях достигают 30%, а утечка теплоносителя – более кубокилометра воды в год.

С другой стороны, применение на тепловых электростанциях парогазовых установок позволяет говорить о КПД, превышающем 60% (в конденсационном режиме), что резко снижает тепловую составляющую возможного комбинированного теплофикационного цикла. Наконец, современные технологии позволяют создавать для электростанций оборудование, эффективность которого лишь незначительно зависит от величины его единичной мощности. В этой связи возникает необходимость пересмотра привычных взглядов на теплофикацию, в частности, встает вопрос об отказе от крупных теплоэлектроцентралей в пользу малых электростанций, работающих по комбинированному циклу. Это позволит прекратить массовое строительство тепловых сетей, которые трудно ремонтировать и менять, уменьшить теплопотери, а иногда и потери электроэнергии в распределительных сетях. Предпочтительным топливом для малых электростанций является природный газ. Подвести его к электростанции гораздо проще, чем прокладывать и эксплуатировать протяженные тепловые сети.

Ядерная энергетика

Вопроса о том, надо ли продолжать строительство ядерных электростанций, быть не должно. Сейчас остро стоит проблема сохранения и развития ядерно-энергетического комплекса, включающего в себя собственно атомные электростанции, многочисленные научные центры, развитую атомную промышленность. В настоящее время доля ядерной энергетики в электроэнергетике составляет около 10%. Тем не менее ядерная электроэнергетика является ее важным компонентом. Полагаю, однако, что масштабы строительства новых крупных ядерных электростанций должны быть ограничены. Это касается прежде всего электростанций с реакторами на тепловых нейтронах. Нужно сосредоточить усилия на создании эффективных ядерных реакторов на быстрых нейтронах и рассматривать это направление развития ядерной энергетики как наиболее перспективное. Еще одна важная задача – выполнение программы закрытия ядерных реакторов, исчерпавших ресурс работы. Наконец, в ряде труднодоступных районов нашей страны имеет смысл строить малые ядерные электростанции, работающие в автоматическом режиме, а также плавучие атомные электростанции.

Возобновляемые источники энергии

Понятие "возобновляемые источники энергии" (ВИЭ) объединяет такие потенциальные источники энергии, как:

• солнечная энергия;
  
• энергия ветра;
  
• энергия биомассы, включая различные отходы;
  
• геотермальная энергия;
  
• энергия малых рек;
  
• энергия приливов;
  
• волновая энергия;
  
• энергия, определяемая разностью температур по глубине океана.
  

В производстве электроэнергии доля ВИЭ мала – в целом в мире она составляет лишь около 1,6%. Однако в ряде развитых стран этот показатель значительно больше: для Дании – более 12%; Италии – 2,8%; Испании – 2,7%; Германии – 2,7%; Чили – 2,7%; Швеции – 2,5%; Великобритании – 2,4%; США – 2,2%.

Энергия, получаемая от ВИЭ, как правило, дороже традиционной. Несмотря на это, применение ВИЭ в России в отдельных случаях может быть экономически выгодным. Это относится к территориям, где для теплоснабжения используется дорогое привозное топливо. Если в 70-80-е годы прошлого века для развитых стран стимулом для применения ВИЭ явились нефтяные кризисы и опасения, что век дешевого традиционного топлива закончился, то сегодня основной аргумент в их пользу – экологическая чистота.

Ветровая энергетика

Сегодня использование энергии ветра – динамично развивающаяся отрасль мировой энергетики. Если суммарная установленная мощность ветровых энергетических установок (ВЭУ) в мире в 2000 году составляла 17,8 ГВт, то в 2002 году она достигла уже 31,1 ГВт.

Тенденцией последних десятилетий является непрерывный рост единичной мощности сетевых ВЭУ. Еще 10 лет назад типичной ВЭУ в составе ветровых ферм была установка мощностью 300-500 кВт. В 2000-2002 годах серийной стала ВЭУ мощностью 11,2 МВт. Это приводит к снижению стоимости установленного киловатта, которая сейчас находится на уровне 1000 долл. При благоприятных характеристиках ветра стоимость электроэнергии, вырабатываемой крупной ветровой установкой, приближается к стоимости энергии на топливных электростанциях. В России до недавнего времени развитию ветроэнергетики не уделялось должного внимания. ВЭУ мощностью в 250 кВт, разрабатывавшиеся в конце прошлого века, оказались недостаточно надежны и эффективны. Практически все крупные ВЭУ, действующие сегодня в РФ, укомплектованы импортными агрегатами.

Малая гидроэнергетика

К малым ГЭС условно относят гидроэнергетические агрегаты мощностью от 100 кВт до 10 МВт. Малая гидроэнергетика за последние десятилетия заняла прочные позиции во многих странах – суммарная мощность малых ГЭС в мире сегодня превышает 70 ГВт. Лидирующая роль в ее развитии принадлежит КНР. При сравнительно низкой стоимости установленного киловатта и коротком инвестиционном цикле малые ГЭС позволяют производить электроэнергию в удаленных от сетей поселениях.
В России энергетический потенциал малых рек очень велик. Их число превышает 2,5 млн, а суммарный сток – 1000 км3 в год. Сегодня на малых ГЭС в России можно производить около 500 млрд кВт/ч электроэнергии в год. В 1990-е годы в РФ проблема производства оборудования для малых и микро-ГЭС в основном была решена. Особенно привлекательно создание малых ГЭС на базе ранее существовавших, где сохранились гидротехнические сооружения. Сегодня их можно реконструировать и технически перевооружить. Целесообразно использовать в энергетических целях малые водохранилища, которых в России более 1000.

Солнечная энергия

Основным элементом солнечных водонагревательных установок (СВУ) является плоский солнечный коллектор, воспринимающий солнечную радиацию и преобразующий ее в полезное тепло. Поэтому обычно масштаб использования СВУ оценивают площадью солнечных коллекторов. Сегодня в мире этот показатель равен 50-60 млн м2, что обеспечивает получение тепловой энергии, эквивалентной 5-7 млн т.у.т. в год.

В России СВУ пока не имеют сколько-нибудь значительного распространения, что, с одной стороны, связано с относительно низкой стоимостью традиционного топлива, а с другой обусловлено бытующим мнением о недостаточной инсоляции в большинстве регионов нашей страны. Солнечная энергия может быть преобразована в электроэнергию с помощью как термодинамических методов, так и фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Последние находят все более широкое применение и в России, и во всем мире. Рынок ФЭП развивается весьма динамично, за счет массовости производства они становятся все дешевле. Сегодня модули ФЭП на мировом рынке стоят около 4 долл. за пиковый ватт, что при хорошей инсоляции позволяет получать электроэнергию стоимостью 15-20 цент/кВт.

Энергия биомассы

По некоторым данным, вклад биомассы в мировой энергетический баланс составляет около 12%. Первичная биомасса – это растения, произрастающие на суше и в воде. В энергетике, как правило, используются отходы лесной и деревоперерабатывающей промышленности, а также отходы полеводства (солома, сено). Сжигание биомассы обычно требует либо ее предварительной подготовки, либо специальных топочных устройств.

В России использование отходов лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности для коммерческого производства электроэнергии и тепла пока незначительно. По некоторым данным, в нашей стране еще недавно имелось 27 малых ТЭЦ с общей установленной мощностью 1,4 ГВт, использовавших биомассу совместно с традиционным топливом (мазут, уголь, газ). При этом собственно на биомассе выработано 2,2 млрд кВт/ч электроэнергии и 9,7 млн Гкал тепла.
Значительный энергетический потенциал содержится в отходах животноводства, твердых бытовых отходах (ТБО) и отходах различных отраслей промышленности. Для использования этого потенциала можно применять термохимические (твердые бытовые отходы, которые сжигаются) или биохимические (навоз или жидкие бытовые стоки, перерабатываемые в биогаз) методы. В России ежегодно образуется около 60 млн т ТБО, почти 130 млн т в год – отходов животноводства и птицеводства и 10 млн т в год – осадков сточных вод. Их энергетический потенциал – 190 млн т.у.т. Пока он используется совершенно недостаточно.

Геотермальная энергия

Если температура в геотермальном месторождении превышает 100°С, оно пригодно для создания геотермальной электростанции (ГеоЭС). При более низкой температуре геотермальный флюид целесообразно использовать для теплоснабжения. Если температура флюида для непосредственного теплоиспользования слишком низка, ее можно поднять, применяя тепловые насосы (ТН). Практически на всей территории России есть запасы геотермального тепла с температурами в диапазоне от 30 до 200°С. В последнее десятилетие АО "Геотерм" и АО "Наука" совместно с Калужским турбинным заводом внесли существенный вклад в использование геотермальной энергии на Камчатке и Курильских островах. Построена Верхнемутновская ГеоЭС мощностью 12 МВт. В 2002 году пущен в эксплуатацию первый блок Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт. На Курильских островах сооружены геотермальные станции теплоснабжения.

Представляет интерес использование тепла поверхностных слоев грунта, температура которых на глубине нескольких десятков метров круглый год практически постоянна и равна среднегодовой температуре воздуха в этом месте. Зимой грунт, а также незамерзающие водоемы или источники геотермального тепла (флюиды с температурой не ниже 20-30°С), имеющиеся во многих регионах РФ, могут служить низкопотенциальными источниками тепла для отопления с помощью тепловых насосов.

Сверхпроводимость

Перспективы использования в энергетике явления сверхпроводимости связаны с так называемыми высокотемпературными сверхпроводниками, работающими при водородных, а в перспективе и при азотных температурах. Особую роль сверхпроводники могли бы сыграть в создании линий электропередач и крупных накопителей энергии.

Водородная энергетика

Водород следует рассматривать как искусственный промежуточный энергоноситель. Его широкое применение в энергетике предполагает решение таких проблем, как:

• эффективное производство водорода из углеводородного сырья, органических отходов и воды;
  
• его хранение и транспортировка;
  
• высокоэкономичное использование водорода в электрохимических процессах и термодинамических циклах для получения электрической, механической энергии и тепла.
  

Топливные элементы

В отличие от ТЭС, в которых химическая энергия топлива вначале преобразуется в тепло, а уж затем в электроэнергию, в топливных элементах (ТЭ) происходит непосредственное преобразование химической энергии в электрическую. Теоретический КПД водород-кислородного ТЭ близок к единице. При всей заманчивости идеи использования ТЭ в энергетике, ее реализация наталкивается на серьезные трудности. Именно поэтому, несмотря на то что принцип ТЭ известен уже более 150 лет, их практическое применение и по сей день ограничено.

Сегодня имеется несколько типов ТЭ с КПД от 40% до 70%, пригодных для применения в энергетике. Они различаются прежде всего типом электролита – переносчика ионов – и наличием промежуточных реакций:

1. ТЭ со щелочным электролитом (ЩТЭ);
2. ТЭ с фосфорной кислотой (ФТЭ);
3. ТЭ с твердо-полимерными мембранами (ТПТЭ);
4. ТЭ с расплавом карбонатов (РКТЭ);
5. ТЭ с твердооксидным электролитом (ТОТЭ).

Топливом для этих ТЭ служит водород, а окислителем – либо кислород, либо воздух. Принципиальная схема каждого из перечисленных ТЭ включает водородный (анод) и кислородный (катод) электроды и электролит, проводящий ионы. Теоретическая ЭДС ТЭ в стандартных условиях составляет 1,23 В.

Эффективность ТЭ во многом зависит от каталитических свойств электродов, обеспечивающих ионизацию реагентов. Для ЩТЭ в качестве катализаторов используются никель, серебро, металлы платиновой группы и др. Раствор электролита в ЩТЭ обычно содержится в матрице, например из асбеста. Водород для питания ЩТЭ должен быть достаточно чистым, в частности, он не должен содержать даже малых количеств СО, отравляющего катализаторы, и СО2, образующего с электролитом карбонат калия (К2СО3).

Для транспортной энергетики наибольший интерес представляет ТПТЭ, в котором проводником ионов водорода служит тонкая твердая полимерная мембрана. Рабочая температура ТПТЭ существенно ниже, чем для других ТЭ. Она составляет 60-80°С. Так же, как у ЩТЭ, примеси СО в газах отравляют катализаторы электродов. Одной из проблем для ТПТЭ является организация отвода воды, образующейся при реакции водорода с кислородом.

Для стационарной энергетики более всего пригоден высокотемпературный твердооксидный ТЭ, в котором перенос заряда осуществляется отрицательным ионом кислорода, а электролитом служит твердая двуокись циркония (ZrO2), стабилизированная окисью иттрия (Y2O3). Рабочая температура ТОТЭ лежит в интервале 800-1000°С, что позволяет рассматривать схемы с внутренним риформингом природного газа и комбинированные циклы. Электродом для анода служит цирконат кобальта (Co-ZrO2) или никеля (Ni-ZrO2), а для катода – манганит лантана (LaMnO3), легированный стронцием. В последние годы на базе ТОТЭ были созданы демонстрационные установки мощностью от 1 до 200 кВт.

Каждый из описанных выше типов ТЭ имеет свою предпочтительную нишу применения. Однако для широкого распространения ТЭ требуется не меньше чем на порядок снизить их сегодняшнюю стоимость.

Водородсжигающие установки

Многочисленные исследования свидетельствуют, что при мощности более 1-10 МВт термодинамическая эффективность водородсжигающих установок паротурбинного и парогазового циклов близка к эффективности топливных элементов, а их удельная мощность (на единицу реакционного объема) превышает таковую в топливных элементах, что приводит к более низким удельным капиталовложениям. В этой связи ожидаемая экономическая эффективность водородных энергоустановок различных типов в значительной степени будет определяться их мощностью. При относительно низких мощностях до 0,1-1,0 МВт для автономных потребителей более эффективными могут оказаться топливные элементы, при более высоких – водородсжигающие: паротурбинного, газотурбинного и парогазового циклов, а также водородные дизель-генераторы.

Как показал технико-экономический анализ различных вариантов использования водорода в стационарных и мобильных энергоустановках, наиболее оправданным, в том числе и с точки зрения безопасности, является регулируемое производство водорода в одном агрегате с электрохимическим генератором, что исключает большие затраты на его аккумулирование и транспортировку, а также существенно улучшает массово-габаритные характеристики ЭХГ. В этом случае в качестве источника для производства водорода можно использовать такие промежуточные энергоносители, как алюминий и его сплавы, боро-, алюмогидриды и т.д., которые при химическом и электрохимическом окислении дают наибольший выход водорода.
Приведенные выше размышления о проблемах энергетики, естественно, не затрагивают многих других важных задач. Однако рассмотренные вопросы представляются мне наиболее важными, в частности, и потому, что мне зачастую приходится принимать участие как в их обсуждении, так и в решении.

---

Примечание
1. Эвтектика (от греч. eutektos – легко плавящийся) – жидкая система (раствор или расплав).