Энергетика и экология
При анализе жизнеспособности генерации на основе ископаемого топлива в будущих устойчивых электроэнергетических системах следует обратить внимание на два основных аспекта: снижение углеродоемкости производства электроэнергии и повышение гибкости генерации на основе ископаемого топлива с использованием различных возобновляемых источников.
В ряде государств при поддержке правительств начат масштабный процесс по демонстрации и развертыванию технологий улавливания, использования и хранения углерода. Повышение гибкости действующих и новых угольных электростанций позволит создать предпосылки для более широкого освоения ресурсов возобновляемой энергетики, тем самым сократить углеродоемкость всей системы генерации электроэнергии.
Действующие и новые угольные электростанции будут играть важную роль в глобальных энергетических системах в краткосрочной и долгосрочной перспективе. По расчетам, повышение КПД угольной электростанции на 1% сокращает выбросы СО2 и других загрязнителей воздуха на 2–3%. При строительстве новых угольных электростанций можно использовать ряд технологий, обеспечивающих высокий КПД и низкие выбросы (HELE) генерирования электроэнергии на основе угля. Перспективной технологией является газификация угля, которая представляет собой универсальный экологически чистый способ преобразования угля в электроэнергию, водород, а также в другие ценные энергетические продукты.
Сущность этих технологий заключается в новейшей и рентабельной экологической защите посредством комбинации сложной подготовки угля, сгорания и газификации, процессов преобразования с улучшенной очисткой после сгорания и современных электронных измерительных приборов и управления. Одной из таких технологий является интегрированный газифицированный комбинированный цикл (ИГКЦ, Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC). Станции комбинированного цикла, работающие на угле, получают из него синтетический газ, который после кондиционирования может сжигаться как природный газ в цикле газовой турбины ИГКЦ. Концепция ИГКЦ имеет и другие преимущества в сравнении с обычной технологией, основанной на распылении угля. По сравнению с ней ИГКЦ приводит к очень низким выбросам SO2 и NOx – они снижены на 99 и 90% соответственно. Особенно важным преимуществом ИГКЦ является модульность. Мощность можно добавлять постепенно. ИГКЦ предоставляет улучшенную эффективность конверсии комбинированного цикла, экологические преимущества газификации и экономические выгоды модульного конструирования. Электрические станции, сжигающие уголь, позволяют «растворить» или «связать» двуоксид серы (SO2) из дымовых газов (или огарка), выбрасываемый при работе станции в обычном режиме, посредством процесса, называемого десульфуризацией дымовых газов (ДСДГ) – (СаСО3 + SO2 = CaSO4 + CO или CaCO3 + SO2 = CaSO3 + CO2, или любая комбинация для связывания серы). Этот очень дорогой метод используется в течение последних 15 лет. Преимущества в технологиях чистого угля на электростанциях ИГКЦ доказывают наличие наиболее жизнеспособного режима для будущей генерации электроэнергии в больших масштабах.
Характерными особенностями ИГКЦ являются:
–улучшение эффективности конверсии (или уменьшение затрат на генерацию) с 33–37% в последовательных распыленных системах паровых турбин на сгорании угля до 38–45% на энергостанциях комбинированного цикла;
–экологические выгоды (высокая эффективность станций комбинированного цикла компенсирует неизбежные потери эффективности, которые имеют место при конвертировании угля в газ).
Основные элементы, составляющие систему ИГКЦ, показаны на рис. 3.1. Это газификатор, теплообменник, очистка газа и блок генерации мощности комбинированного цикла. ИГКЦ разрешает проблемы с выбросами SO2 и решает их большую часть с NOx, источниками кислотных дождей, которые влияют на разрушение экосистем в лесах, насаждениях, реках и лугах. Выбросы SO2 и NOx преобразовываются во вторичные выбросы в виде сульфатов и нитратов, которые в комбинации с водой могут образовывать кислоты, выпадающие в качестве дождей и иных осадков. Газификация угля (в диапазоне от 1 300 до 2 400°C) в системах ИГКЦ приводит к производству синтетического газа, почти полностью состоящего из СО и H2 и известного как синтез-газ. Синтез-газ охлаждается в охладителе (обычно в теплообменнике), и с помощью выделенного тепла получается обычный насыщенный пар, используемый для генерации электроэнергии.
Рис.3.1. Схема станции интегрированного газификационного комбинированного цикла
Холодный газ очищается (десульфуризуется) в подсистеме очистки и заново нагревается в том же теплообменнике. Чистый сингаз при температуре около 1100°C направляется на высокоэффективную газовую турбину комбинированного цикла для производства электроэнергии. Тепло в выходном газе от газовой турбины (примерно 500°C) нагревается в парогенераторе для получения перегретого пара, который используется для генерирования дополнительной электроэнергии в паровой турбине (комбинированный цикл).
На рис.3.2 показана концепция будущих интегрированных предприятий. Такие предприятия имеют модульную конструкцию с переработкой продуктов выбросов в воздух или твердых отходов.
Рис.3.2. Схема интегрированного энергетического предприятия, основанного на переработке угля
Газификация угля также открывает возможности для совместного производства электроэнергии и химических продуктов. ИГКЦ является только первым шагом к методологии процесса использования угля, который ведет к «интегрированным энергетическим предприятиям», очистке угля и ресурсов или «многоэнергетичности», способности преобразования синтетического газа из угля в широкое разнообразие химических продуктов, таких как сера, дополнительно к производству электроэнергии. Тепло, отходящее от станции, может использоваться для отопления или промышленных надобностей.
Тепловые нормы (топливо/электроэнергия) станций с хорошо распыляемым углем равны примерно 9 300 БТЕ/ кВтч (британских тепловых единиц на киловатт-час), что эквивалентно 37% эффективности теплопреобразования. Затраты на модули десульфуризации дымовых газов составляют примерно 40% общих затрат новой угольной станции и потребляют 2–4% общей произведенной энергии.
Исследования EPRI показали, что ИГКЦ может достичь нормы тепла до 8 200 БТЕ/кВтч, или 42% эффективности. Ожидается, что новая линия интегрированных газификационных энергостанций, включая модифицированные газовые турбины, достигнет эффективности намного выше сегодняшнего уровня в 37% – а именно 60% в 2021г. В табл. 3.1 представлены оценки затрат технологических режимов генерации электроэнергии. Режимы генерации, основанные на газификации, располагают большим потенциалом сокращения выделяемых в воздух капель выбросов, чем модули десульфуризациидымовых газов или сжижаемого пластового сгорания, и минимизируют количество твердых отходов. Станции, основанные на процессе газификации угля, аналогичном ИГКЦ, производят выбросов намного меньше, чем это возможно на текущем поколении угольных станций. Как сказано выше, сера может быть выделена химически из синтетического газа в элементарной форме и затем осаждена в твердой фазе. Образование оксидов азота исключено во время сжигания с насыщением сингаза водяным паром под давлением с уменьшением температуры пламени. Выбросы SОx и NOx существенно уменьшены – с 4 до 1 фунта/МВтч. Даже в сравнении с иными конкурирующими технологиями чистого угля, такими как технология сжиженного пластового сгорания (и технология распыленного сжигания угля), ИГКЦ дает намного меньше твердых отходов.
Таблица 3.1 Оценки затрат технологических режимов генерации электроэнергии
Произведенные методом ИГКЦ твердые отходы весят лишь 2 фунта/МВт (в системах распыления, основанных на угле, – 6 фунтов). Более того, производится инертный шлак, который может использоваться как конструкционные материалы. Потребление воды меньше, чем на обычных угольных станциях, так как две трети энергии вырабатываются системой газовой турбины, которая не требует охлажденной воды для конденсации пара. Энергостанции ИГКЦ, работающие на угле, дороже станций комбинированного цикла на газе, но дешевле систем на распыленном угле. После первоначального успеха ИГКЦ проекта станции Cool Water на 100 МВт (Калифорния, США) некоторые электростанции решили принять эту технологию как часть программ расширения генерации электроэнергии.
Комбинированный цикл комплексной газификации каменного угля олицетворяет собой новое поколение угольных электростанций, которые в техническом отношении и в плане экологической безопасности значительно превосходят обычные электростанции, работающие на каменном угле. Это объясняется их способностью газифицировать каменный уголь, снижая уровни выбросов оксидов серы, окиси азота, макрочастиц и ртути до сгорания. Электростанции, применяющие комбинированный цикл комплексной газификации, также значительно сокращают выбросы углекислого газа и могут быть дополнительно настроены на улавливание углерода, что устранит потребность в очистке.
3.3. Направления развития безуглеродной энергетики
Электроэнергетика является той отраслью техники, где широкое использование явления сверхпроводимости и криогенной техники оказывается многообещающим и особенно плодотворным.
3.3.1. Использование сверхпроводимости в энергетике
Необычный мир низких температур постоянно привлекает внимание исследователей из самых различных областей знаний и является источником новых идей и открытий.
Явления, эффекты и свойства, проявляющиеся в низкотемпературной области, открывают перед учеными и инженерами широкий круг новых возможностей. Достижения низких и сверхнизких температур ценно для нас тем, что в этих условиях мы встречаемся с новыми явлениями и фактами, которые помогают проникать в суть строения материи, позволяют использовать новые методы исследования; наконец, низкие температуры являются важным инструментом технического прогресса, особенно в области новой техники. Задачи, стоящие перед энергетикой, не могут решаться только за счет увеличения числа и единичной мощности электроэнергетических объектов. Особенное значение в этих условиях приобретает поиск новых, более перспективных физических принципов производства, передачи и потребления электроэнергии. обоснованию зон применения таких устройств и т.д. Кроме того, при высоких уровнях потребления становится огромной реактивная мощность, которую должны вырабатывать ее источники. При малых нагрузках, особенно кабельной сети, из-за преобладания емкостных токов затрудняется регулирование напряжения сети. Все более усложняется проблема управления, контроля и устойчивости электрических систем при авариях, а также проблема покрытия пиковых нагрузок.
Использование явления сверхпроводимости стало возможным в результате открытий и достижений в области физики твердого тела и низких температур. На его основе создаются сильные магнитные поля в больших объемах практически без потерь мощности.
Сверхпроводимостью называется квантовое явление, заключающееся в том, что некоторые материалы при доведении их температуры до определенной критической начинают проявлять нулевое электрическое сопротивление. Перешедший в сверхпроводящее состояние проводник начинает проявлять то, что называется эффектом Мейснера, когда магнитное поле из его объема полностью вытесняется наружу, рис.3.3.
Рис.3.3. Схема для наглядности перехода проводника в сверхпроводящее состояние
В период с 1986 по 1993 годы был открыт целый ряд высокотемпературных сверхпроводников, то есть таких, которые переходят в сверхпроводящее состояние уже не при столь низких температурах как температура кипения жидкого гелия (4,2К), а при температуре кипения жидкого азота (77 К). На сегодняшний день ученым известно уже несколько сотен элементов, сплавов и керамик, способных вести себя подобным образом. Большое значение получили такие сверхпроводящие сплавы как ниобий-титан и интерметаллид ниобий-олово, из которых технически несложно получить стабильные тонкие сверхпроводящие нити и многожильные проводники. Существенное уменьшение электрического сопротивления очень чистых металлов (алюминия, меди, бериллия, натрия) с понижением температуры, главное – сохранение некоторыми сплавами сверхпроводимости в сильных магнитных полях при больших плотностях тока создали принципиальные возможности для применения глубокого холода в новых сферах, из которых наиболее важное значение имеют электротехника и электроника.
Таким образом, использование материалов с нулевым или пониженным активным сопротивлением позволяет удовлетворить практически все требования потребителей, не прибегая к промежуточному повышению напряжений. Понижение активных сопротивлений обычных проводниковых материалов высокой чистоты (гиперпроводники) или достижение бесконечно большой электропроводности (сверхпроводники) имеет место при очень низких температурах до 4 – 70оК.
На данный момент, конечно, можно говорить о значительных успехах в плане продвижения к получению высокотемпературных сверхпроводников. Однако большинство подобных решений связано с тем, что получаемые образцы хрупки и нестабильны, посему в технике по-прежнему остаются актуальными упомянутые выше сплавы ниобия.
Реализация этих возможностей позволяет значительно усовершенствовать существующую конструкцию электротехнических устройств, в частности электрических машин. Так, если использовать эффект сверхпроводимости и применить сверхпроводящие материалы для обмотки ротора (обмотки возбуждения), то потери в роторной обмотке можно практически свести к нулю, так как постоянный ток не будет встречать в ней сопротивления. Вследствие этого, повысится КПД машины. Протекающий по сверхпроводящей обмотке возбуждения ток большой силы создает столь сильное магнитное поле, что уже не будет необходимости применять стальной магнитопровод, традиционный для любой электрической машины. Устранение стали снизит массу ротора и его иннерционность.
Сделан анализ и определены ожидаемые технические показатели сверхпроводящих электроэнергетических устройств по сравнению с обычными, таблица 3.2.
Таблица 3.2, Ожидаемые технические показатели сверхпроводящих электроэнергетических устройств по сравнению с обычными.
Характеристика объекта
Предел по обычному исполнению
Предел по сверхпроводящему варианту
Электрические генераторы, номинальная мощность, Гва
2 – 6*
10
Электропередачи:рабочие напряжения, кв передаваемая мощность, Гва
1 200 – 1500 6 – 10
300 – 500
100
Токопроводы:рабочие токи, КА
150 – 200
500
Трансформаторы, номинальная мощность, Гва
6 – 8
6 – 8
Выключатели, разрывная мощность, Гва
35 – 40
40 – 50
Накопители электроэнергии, Мвт ч
–
30 000
В России, в 80-егоды, были построены крупные электромагнитные системы. Была запущена первая в мире экспериментальная установка Т-7, предназначенная для изучения возможности инициирования реакции термоядерного синтеза, где для создания тороидального магнитного поля требовались сверхпроводящие катушки. В больших укорителях элементарных частиц сверхпроводящие катушки также применяются – в пузырьковых камерах для жидкого водорода.
Расходомеры, измерители уровня, барометры, термометры – для всех этих высокоточных приборов отлично подходят сверхпроводники. Главными же крупными направлениями промышленного применения сверхпроводников остаются два: магнитные системы и электрические машины.
Раз сверхпроводник не пропускает магнитного потока, значит изделие такого рода экранирует магнитное излучение. Данное свойство сверхпроводников применяется в точных микроволновых устройствах, а также при защите от столь опасного поражающего фактора ядерного взрыва, как мощное электромагнитное излучение.
В результате низкотемпературные сверхпроводники остаются незаменимыми при создании магнитов в таком научно-исследовательском оборудовании, как ускорители частиц и установки термоядерного синтеза.
Сверхпроводники также используются в магнитных левитационных системах, которые позволяют транспортировать грузы без трения и сопротивления. Магнитные левитационные системы используются, например, в магнитных поездах, где сверхпроводящие магниты создают сильное магнитное поле, которое поддерживает поезд в воздухе и позволяет ему двигаться без трения. Это позволяет достичь очень высоких скоростей и снизить энергопотребление.
По расчетам американских специалистов сверхпроводящие магниты позволяют поднять над трассой 100-местные поезда весом приблизительно 22 т, для привода которых в движение со скоростью 300 миль/ч потребуется мощность около 5500 л. с. Основным преимуществом поездов на магнитной подушке перед высокоскоростными .поездами обычного типа будет являться практически полная бесшумность при движении. Поезда на магнитной подушке, активно эксплуатируемые сегодня в Японии, уже способны двигаться со скоростью 600 км/ч и давно доказали свою реализуемость и эффективность.
Одно из основных применений сверхпроводников в энергетике – это создание магнитных сепараторов. Магнитные сепараторы используются для отделения магнитных материалов от немагнитных в процессе добычи полезных ископаемых, таких как железная руда. Сверхпроводящие магниты в магнитных сепараторах создают сильное магнитное поле, которое притягивает магнитные материалы и отделяет их от немагнитных. Это позволяет повысить эффективность процесса добычи и снизить затраты на энергию.
Сверхпроводники также используются в магнитных тормозах для транспортных средств. Магнитные тормоза используются для замедления или остановки движения транспортного средства. Сверхпроводящие магниты в магнитных тормозах создают сильное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитными материалами на транспортном средстве и замедляет его движение. Это позволяет достичь более эффективного и безопасного торможения.
Сверхпроводники также используются для создания магнитных хранилищ энергии. Магнитные хранилища энергии позволяют хранить электрическую энергию в магнитном поле, что может быть полезно для сглаживания пиков нагрузки в электросети. Сверхпроводящие магниты в магнитных хранилищах энергии создают сильное магнитное поле, которое сохраняет энергию внутри себя без потерь. Это позволяет эффективно использовать энергию и снизить затраты на электроэнергию.
Сверхпроводниковые турбогенераторы – принципиально новое направление развития турбогенераторов. Охлаждение производится при сверхнизких (криогенных) температурах при достижении явления сверхпроводимости. Криогенными считаются температуры в диапазоне от 120 К (-153°C) до температуры 0,7 K (-272°C).
В сверхпроводящем проводе допустима плотность тока, в 10-50 раз превышающая плотность тока в обычном электрооборудовании. Магнитные поля можно будет довести до значений порядка 10 Тл, по сравнению с 0,8. 1 Тл в обычных машинах.
Использование сверхпроводников может оказаться экономичным при создании в будущем сверхмощных электрических машин, аппаратов, линии электропередачи (ЛЭП), что представляется весьма актуальной проблемой для перспектив развития электроэнергетики. Задачами новых научных исследований на ближайший период являются: изыскание новых сверхпроводящих материалов с повышенными критическими параметрами, пониженными потерями в переменных полях и создание на их основе совершенной технологии изготовления проводников (проволочных и ленточных, – пригодных для обмоток машин и аппаратов; композиционных изделий), удешевление сверхпроводящих материалов, определение областей технико-экономической целесообразности применения сверхпроводников, а также разработка конструкции сверхпроводящих машин, аппаратов, ЛЭП и пр.
В самом деле. научно-технический прогресс электротехники не коснулся основного электротехнического материала – проводника, который оказался неизменным с присущим ему сопротивлением, ограничивающим допустимую плотность тока и мощность машин и аппаратов в заданных габаритах. Снижение активного сопротивления проводника, а тем более применение сверхпроводников позволило бы в принципе существенно повысить мощность электрических машин и аппаратов в тех же габаритах, повысить к.п.д. за счет увеличения рабочей индукции и плотности тока.
Для России с ее огромными пространствами и крайне неравномерным распределением энергоресурсов (в европейской части страны около 12% энергоресурсов, а в азиатской до 88%) первостепенное значение имеет проблема создания мощных и дальних ЛЭП.
Отсутствие электрического сопротивления у сверхпроводников делает процесс передачи электрической энергии более экономичным. Так, единственный сверхпроводящий тонкий кабель, проложенный под землей, принципиально смог бы передавать мощность, для передачи которой традиционным способом понадобился бы толстый жгут проводов – громоздкая линия.
На данный момент остаются актуальными лишь проблемы стоимости и обслуживания, связанные с необходимостью непрерывно прокачивать через систему азот. Тем не менее в 2008 году в Нью-Йорке фирма American Superconductor успешно запустила первую коммерческую сверхпроводящую ЛЭП.
Комбинируя сверхпроводники с полупроводниками, ученые создают сверхбыстрые квантовые компьютеры, являющие миру новое поколение вычислительной техники.
Явление зависимости температуры перехода вещества в сверхпроводящее состояние от величины магнитного поля – положено в основу управляемых резисторов – криотронов.
Сверхпроводники также могут использоваться в магнитных генераторах, которые преобразуют механическую энергию в электрическую. Сверхпроводящие магниты в магнитных генераторах создают сильное магнитное поле, которое вращается вокруг оси и генерирует электрический ток. Это позволяет эффективно использовать энергию и снизить затраты на производство электроэнергии.
Таким образом, сверхпроводники играют важную роль в энергетике, обеспечивая эффективное использование энергии и снижение затрат. Исследования в этой области продолжаются, и мы можем ожидать еще большего применения сверхпроводников в энергетике в будущем.
3.3.2. Криогенные системы хранения энергии для возобновляемых источников
Будущее, в котором 100% мировой электроэнергии будет производиться из чистых источников, становится очевидным. Эта тенденция обусловлена суровыми реалиями изменения климата. Получение энергии из ископаемого топлива – привычка, от которой человечество должно отказаться в пользу возобновляемых источников и современных технологий, в том числе криогенных хранилищ энергии. Криогенные жидкости – это вещества, обладающие крайне низкими температурами кипения. Главными представителями криогенных жидкостей являются жидкий азот, жидкий кислород и жидкий водород.
По всей территории Соединенных Штатов более 100 городов поставили перед собой амбициозные цели по обеспечению 100% чистой энергии. В конце 2018 года Xcel Energy сделала знаменательное объявление, взяв на себя обязательства к 2050 году поставлять только безуглеродное электричество на всей территории обслуживания в восьми штатах США.
Европа добилась еще большего прогресса. Большинство европейских стран поставили аналогичные цели в области возобновляемых источников энергии, и некоторые из них достигнуты раньше заявленного срока. Германия получает 36% электроэнергии из возобновляемых источников, Дания – более 50%, а в Исландии почти 100% энергии производится из возобновляемых источников.
Качественный скачок, который мы наблюдаем на рынке, стал возможен благодаря тому, что стоимость возобновляемой энергии почти сравнилась со стоимостью производства энергии из ископаемого топлива. Нормированная стоимость электроэнергии (LCOE) солнечных электростанций была снижена на 85% с 350 долларов США за МВтч в 2009 году до 50 долларов США за МВтч в 2017 году. Ожидается, что к 2050 году она сократится до 37 долларов за Мвтч. В ветроэнергетике наблюдается аналогичное падение цен, при этом средний показатель LCOE энергии ветра в 2017 году упал до 45 долларов за МВтч. Конкурентоспособные цены стимулируют беспрецедентно высокий уровень использования возобновляемых источников энергии. Управление энергетической информации США прогнозирует, что с 2020 по 2050 год установленная мощность местных ветроэнергетических предприятий увеличится на 20 ГВт, а установленная мощность фотоэлектрических солнечных батарей увеличится на 127 ГВт, и это только в одной стране.
Неравномерное распределение во времени энергии, вырабатываемой из возобновляемых источников (ВИЭ), является одной из основных проблем, которые сейчас сдерживают рост ветровых и солнечных электростанций. Как правило, возобновляемые источники энергии непостоянны и характеризуются перепроизводством при низком потреблении и дефицитом энергии при пиковых нагрузках. Это создает трудности в балансировке электросети, особенно в традиционных электросетях с централизованной структурой, где потребители являются полностью пассивными участниками энергетической системы. Переход от этого типа структур к так называемым «умным сетям», где потребители являются активными участниками энергетической системы, способствует росту доли ВИЭ в структуре энергопотребления и помогает более эффективно сбалансировать производство и потребление энергии. Одним из элементов перехода к «умным сетям» является внедрение систем хранения энергии, как в малых, так и в больших масштабах. В настоящее лидерами в этой области являются такие страны, как Соединенные Штаты, Китай, Южная Корея, Германия, Франция, Япония, Индия, Великобритания, Австралия и Бразилия. Основу хранения электроэнергии составляют гидроаккумулирующие электростанции, доля которых превышает 96%.