Основы современной малой энергетики

Способы ограничения выброса углекислого газа в атмосферу от ТЭО

Уменьшить выбросы СО2 значительно сложнее, чем выбросы других вредных веществ. Очистка уходящих газов ТЭО от углекислого газа аппаратными средствами (например, с помощью абсорбционной или мембранной технологии) на сегодняшний день исключительно дорога, нецелесообразна и не находит применения. Однако, учитывая необходимость решения данной проблемы, в индустриально развитых странах ведутся работы и в этом направлении.

Реальное уменьшение выбросов углекислого газа от ТЭО дают:

1) сжигание ископаемых топлив с малым содержанием углерода (природный газ);

2) использование энергоносителей, не содержащих углерод (ядерное топливо);

3) использование возобновляемых источников энергии;

4) энергосбережение;

5) теплофикация;

6) реализация технических решений, повышающих КПД ТЭО.

Рассмотрим последовательно эти направления и их возможности.

1. Сжигание ископаемых топлив с малым содержанием углерода Мазут в число таких топлив включать нельзя, поскольку в нем содержится лишь 11 % водорода, а массовая концентрация углерода около 83 %. Основным ископаемым топливом с малым содержанием углерода является природный газ, в состав которого преимущественно входит метан СН4 (объемная концентрация 90 – 95 %). Массовая концентрация углерода в метане равна 75%, водорода 25 %. Ввиду высокой удельной теплоты сгорания водорода, а следовательно, и природного газа выход СО2 в атмосферу на 1 кВт • ч вырабатываемой на ТЭО электроэнергии существенно меньше, чем при использовании на ТЭО ископаемого угля.

Доля электроэнергии, полученной в России при сжигании газа, составляла в 1998 г. 40,5 %, а при сжигании угля – 21,9 %. Доля газа в топливно-энергетическом балансе ТЭО в РФ составляет более 60 %. Однако для многих других стран это не характерно. США вырабатывают электроэнергии на базе угля свыше 55 %, Германия – 55,1 %, Великобритания – 50 %, Япония – 20 %, Австралия – 88 %.

Использование угля в большом объеме в энергетике объясняется его очевидной конкурентоспособностью как энергоносителя на мировом рынке органического топлива. По данным исследовательских организаций США и Японии современное производство 1 кВт∙ч электрической энергии на угле дешевле, чем на нефти, на 77 % в США и 30 % в Японии, на газе – на 55 и 19 % соответственно. Оно даже дешевле, чем на АЭС, поэтому 36 из 60 новых ТЭО Америки, ориентированных на использование горючих ископаемых, будут работать на угле. В Германии, из вновь сооруженных в 1995–1999 гг. электростанций, 66,2 % генерирующих мощностей приходятся на угольные ТЭО.

Следует учитывать дороговизну природного газа и ограниченность его запасов в недрах Земли. Ряд индустриально развитых стран вообще не имеют или имеют мало собственных месторождений природного газа.

На основании этого сжигание ископаемых топлив с малым содержанием СО2 нельзя рассматривать в качестве перспективного направления уменьшения выбросов СО2 в атмосферу.

2. Использование ядерной энергии. Ядерное топливо по прогнозам сохраняет свои объемы использования в производстве электроэнергии, однако в ряде стран его доля снижается. Ряд стран приняли решение о свертывании своей сети АЭС (Швеция). В России после аварии на Чернобыльской АЭС развитие ядерной энергетики существенно снизилось и новые АЭС практически не сооружаются. Однако в 2000 г. был пущен первый блок Ростовской АЭС. Согласно программе развития ядерной энергетики планируется достройка третьего блока Калининской АЭС и пятого блока Курской АЭС. По этой программе до 2010 г. Планируется возвести еще 10 энергоблоков и подготовить к выводу из строя девять старых.

Многие государства отказались от строительства новых АЭС, однако некоторые продолжают их возводить. К числу последних относятся Индия, Южная Корея, Япония, Иран. В Западной Европе по этому пути идет только Франция (четыре новых объекта). В России выработка электроэнергии на ядерном топливе в 1998г. составила 97,5 млрд кВт ч, или 12 % общей выработки электрической энергии.

В условиях дефицита природного газа РАО «ЕЭС России» заинтересовано в высоких темпах развития ядерной энергетики и поддерживает планы Мини стерства РФ по атомной энергии по увеличению выработки электроэнергии на АЭС, однако, учитывая значительные трудности, с которыми придется столкнуться на этом пути, в расчетах энергетического баланса РАО «ЕЭС России» принимает умеренные темпы роста мощности на АЭС.

Таким образом, использование АЭС для решения топливно-энергетических и экологических проблем пока не однозначно.

3. Использование возобновляемых источников энергии. Использование возобновляемых источников энергии на Земле может стать кардинальным решением проблемы взаимодействия энергетики с окружающей средой.

На первое место здесь следует поставить гидроэнергетику, которую можно отнести к числу традиционных возобновляемых источников энергии. Гидроэнергия широко применяется во всем мире. Как правило, освоение гидроэнергии основных рек идет по пути строительства каскадов электростанций, что способствует более полному и эффективному использованию водных ресурсов. Наряду с мощными ГЭС строятся и «малые» ГЭС мощностью от нескольких десятков киловатт до нескольких мегаватт. Согласно прогнозам до 2020 г. доля использования гидроэнергии при производстве электроэнергии будет возрастать.

Кроме энергии рек имеются значительные энергоресурсы морских приливов. В России ГЭС произвели в 1998 г. 158,4 млрд. кВт-ч электроэнергии, что составило 19,4 % общего производства электрической энергии.

Кинетическая энергия атмосферы – энергия ветра является наиболее доступной, но и наименее стабильной и концентрированной энергией. В настоящее время она находит применение в «малой» энергетике.

Использование энергии солнечного излучения связано с нерегулярностью и очень низкой удельной плотностью поступления солнечной энергии и, как следствие этого, низким КПД и высокими капитальными затратами. Ввиду географического расположения России использование энергии солнечного излучения в нашей стране неперспективно.

Геотермальная энергия состоит из теплоты термальной воды с температурой до 250 °С, нагретых газов и паров, теплоты некоторых горных пород, способных отдавать ее пропускаемым через них газам или жидкостям, а также вулканической теплоты. Для производства электроэнергии ТЭО нашли ограниченное применение из-за низкого КПД и высоких капитальных затрат. Геотермальная теплота используется для снабжения горячей водой территорий, расположенных вблизи геотермальных источников (в России – Камчатка). В настоящее время в России работает геотермальная Верхне-Мутновская ТЭО мощностью 12 МВт.

Океанические энергообъекты, проекты которые описывались в технической литературе, где используется перепад температуры поверхностных и глубинных слоев воды, могут иметь лишь очень низкий КПД, менее 4 %, и высокие капитальные затраты.

Имеются и другие возобновляемые нетрадиционные источники энергии. В целом, объемы их использования возрастают, однако доля их остается незначительной.

4. Энергосбережение. Энергосбережение дает важный вклад в снижение выбросов СО2 в атмосферу. Критерием оценки возможной экономии энергии служит удельная энергоемкость мирового валового продукта (МВП). Речь, конечно, не идет о том, что энергоемкость МВП должна непрерывно уменьшаться во всех секторах народного хозяйства и при всех обстоятельствах. Например, в странах, где электрификация находится в ранней стадии развития, для обеспечения необходимого экономического развития темпы роста потребности в электроэнергии будут, очевидно, опережать темпы увеличения производства национального валового продукта (НВП). Но в основном мероприятия по экономии энергии направлены на снижение удельной энергоемкости МВП.

На основании прогнозов потенциальные возможности экономии энергии, выраженные показателями относительной удельной энергоемкости МВП, в 2020 г. могут составить 48 %.

5. Теплофикация. Экологическая эффективность теплофикации связана с экономией топлива при комбинированной на ТЭЦ, раздельной на КЭС и районной котельной выработке тепловой и электрической энергии.

Экологический фактор наряду с экономическим стал одним из определяющих для широкого развития теплофикации в таких странах Европы, как Германия, Дания, Финляндия, Швеция и др. Лучшие показатели среди зарубежных энергокомпаний имеет датская «Elkraf», которая получила выбросы СО2 0,535 кг/(кВт∙ч) (SK Power company, Annual Report'96) благодаря высокой (около 50 %) доли производства электроэнергии на тепловом потреблении. ТЭО этой энергокомпании работают в основном на угле, который при сжигании дает наибольший удельный выброс СО2. В тех развитых странах, где теплофикация не получила широкого распространения, данный показатель хуже и составляет порядка 0,9 кг/(кВт×ч) (Япония, Канада и др.).

Имеющийся опыт использования технологии по комбинированному производству электрической и тепловой энергии в России и за рубежом показывает, что теплофикация дает возможность обеспечить существенное (до 30 % в сравнении с раздельной схемой энергоснабжения) уменьшение потребности страны в органическом топливе и соответствующее уменьшение выбросов парниковых газов. Страны Европейского союза планируют увеличить, по сравнению с 1995 г., долю производства электроэнергии на ТЭЦ к 2010 г. с 9 до 18 % («Watt's new», March 1998; issued by UNIPEDE & EUROELECTRIC). Даже в такой стране, как США, где климатические условия в отличие от российских не требуют больших объемов тепловой энергии для обеспечения нормальной жизнедеятельности страны, компания «Trigen Energy Corp.» (США) собирается удвоить эффективность ТЭО в Филадельфии, Чикаго и Тулсе путем простого превращения «сбросной» теплоты в пар для обогрева офисных зданий и использования его в производственных процессах промышленных предприятий.

Выводы:

Несмотря на указанное имеются реальные технологии по снижению СОх в срабатываемых дымовых газах с ТЭО в атмосфере.

– первыми в основу заложены процессы абсорбции и десорбции, в качестве абсорбента применяется 10-12-процентный водный раствор моноэталамина (МЭА). Данная технология успешно работала в г. Павлодаре (Республика Казахстан) с производительностью 20 т в сутки СОх (жидкого и твердого).

Из-за высокой коррозии технологическое оборудование было изготовлено из титана. Дымовые газы подавались с ТЭС;

– вторая технология включает принцип глубокого охлаждения уходящих дымовых газов и вымораживания СОх, но данная технология пока находится в стадии научно-практических разработок.