• Что можно приготовить из кальмаров: быстро и вкусно

    Электроэнергетика, как и другие отрасли промышленности, имеет свои проблемы и перспективы развития.

    В настоящее время электроэнергетика России находится в кризисе. Понятие "энергетический кризис" можно определить, как напряженное состояние, сложившееся в результате несовпадения между потребностями современного общества в энергии и запасами энергоресурсов, в том числе вследствие нерациональной структуры их потребления.

    В России можно на данный момент выделить 10 групп наиболее острых проблем:

    • 1). Наличие большой доли физически и морально устаревшего оборудования. Увеличение доли физически изношенных фондов приводит к росту аварийности, частым ремонтам и снижению надежности энергоснабжения, что усугубляется чрезмерной загрузкой производственных мощностей и недостаточными резервами. На сегодняшний день износ оборудования одна из важнейших проблем электроэнергетики. На российских электростанциях он очень велик. Наличие большой доли физически и морально устаревшего оборудования усложняет ситуацию с обеспечением безопасности работы электростанций. Около одной пятой производственных фондов в электроэнергетике близки или превысили проектные сроки эксплуатации и требуют реконструкции или замены. Обновление оборудования ведется недопустимо низкими темпами и в явно недостаточном объеме (таблица).
    • 2). Основной проблемой энергетики является также то, что наряду с черной и цветной металлургией энергетика оказывает мощное негативное влияние на окружающую среду. Предприятия энергетики формируют 25 % всех выбросов промышленности.

    В 2000 году объемы выбросов вредных веществ в атмосферу составляли 3,9 тонн в том числе выбросы от ТЭС - 3, 5 млн тонн. На диоксид серы приходится до 40% общего объема выбросов, твердых веществ - 30%, оксидов азота - 24 %. То есть ТЭС являются главной причиной формирования кислотных остатков.

    Крупнейшими загрязнителями атмосферы являются Рафтинская ГРЭС (г. Асбест, Свердловская область) - 360 тыс. тонн, Новочеркасская (г. Новочеркасск, Ростовская обл.) - 122 тыс. тонн, Троицкая (г. Троицк-5, Челябинская обл.) - 103 тыс. тонн, Верхнетагильская (Свердловская обл.) - 72 тыс. тонн.

    Энергетика является и крупнейшим потребителем пресной и морской воды, расходуемой на охлаждение агрегатов и используемой в качестве носителя тепла. На долю отрасли приходится 77% общего объема свежей воды, использованной промышленностью России.

    Объем сточных вод, сброшенных предприятиями отрасли в поверхностные водоёмы, в 2000 г. Составил 26,8 млрд куб. м. (на 5,3% больше чем в 1999г.). Крупнейшими источниками загрязнения водных объектов являются ТЭЦ, в то время как ГРЭС - главных источников загрязнения воздуха. Это ТЭЦ-2 (г. Владивосток) - 258 млн куб. м, Безымянская ТЭЦ (Самарская область) - 92 млн куб. м, ТЭЦ-1 (г. Ярославль) - 65 млн куб. м, ТЭЦ-10 (г. Ангарск, Иркутская обл.) - 54 млн куб. м, ТЭЦ-15 и Первомайская ТЭЦ (Санкт-Петербург) - суммарно 81 млн куб. м.

    В энергетике образуется и большое количество токсичных отходов (шлаки, зола). В 2000 г. объем токсичных отходов составил 8,2 млн тонн.

    Помимо загрязнения воздуха и воды, предприятия энергетики загрязняют почвы, а гидроэлектростанции оказывают сильнейшее воздействие на режим рек, речные и пойменные экосистемы.

    • 3). Жесткая тарифная политика. В электроэнергетике поставлены вопросы об экономичном использовании энергии и о тарифах на неё. Можно говорить о необходимости экономии вырабатываемой электроэнергии. Ведь в настоящее время в стране расходуется на единицу продукции в 3 раза больше энергии, чем в США. В этой области предстоит большая работа. В свою очередь тарифы на энергию растут опережающими темпами. Действующие в России тарифы и их соотношение не соответствуют мировой и европейской практике. Существующая тарифная политика привела к убыточной деятельности и низкой рентабельности ряда АО-энерго.
    • 4). Ряд районов уже испытывает трудности с обеспечением электроэнергией. Наряду с Центральным районом, дефицит электроэнергии отмечается в Центрально-Черноземном, Волго-Вятском и Северо-Западном экономических районах. Например, в Центральном экономическом районе в 1995 году было произведено огромное количество электроэнергии - 19% от общероссийских показателей (154,7 млрд. кВт), но она вся расходуется внутри региона.
    • 5). Сокращается прирост мощностей. Это объясняется некачественным топливом, изношенностью оборудования, проведением работ по повышению безопасности блоков и рядом других причин. Неполное использование мощностей ГЭС происходит из-за малой водности рек. В настоящее время 16 % мощностей электростанций России уже отработали свой ресурс. Из них на ГЭС приходится 65%, на ТЭС - 35 %. Ввод новых мощностей сократился до 0,6 - 1,5 млн кВт в год (1990-2000гг.) по сравнению с 6-7 млн кВт в год (1976-1985гг.).
    • 6). Возникшее противодействие общественности и местных органов власти размещению объектов электроэнергетики в связи с их крайне низкой экологической безопасностью. В частности после Чернобыльской катастрофы были прекращены многие изыскательные работы, строительство и расширение АЭС на 39 площадках общей проектной мощностью 109 млн кВт.
    • 7). Неплатежи, как со стороны потребителей электроэнергии, так и со стороны энергокомпаний за топливо, оборудование и др.;
    • 8). Недостаток инвестиций, связанный как с проводимой тарифной политикой, так и с финансовой "непрозрачностью" отрасли. Крупнейшие западные стратегические инвесторы готовы вкладывать средства в российскую электроэнергетику лишь при условии роста тарифов, чтобы обеспечить возвратность вложений.
    • 9). Перебои в энергоснабжении отдельных регионов, в частности Приморья;
    • 10). Невысокий коэффициент полезного использования энергоресурсов. Это значит, что 57% энергоресурсов ежегодно теряется. Большая часть потерь происходит на электростанциях, в двигателях, непосредственно использующих горючее, а также в технологических процессах, где топливо служит сырьем. При транспортировке топлива также происходят большие потери энергоресурсов.

    Что же касается перспектив развития электроэнергетики в России, то, несмотря на все свои проблемы, электроэнергетика имеет достаточные перспективы.

    Например, работа ТЭС требует добычи огромного объема невозобновляемых ресурсов, имеет достаточно низкий КПД, ведет к загрязнению окружающей среды. В России тепловые электростанции работают на мазуте, газе, угле. Однако на данном этапе привлекательными являются региональные энергокомпании с высоким удельным весом газа в структуре топливного баланса, как более эффективного и экологически выгодного топлива. В частности можно отметить, что электростанции, работающие на газе, выбрасывают в атмосферу на 40% меньше углекислого газа. Кроме того газовые станции имеют более высокий коэффициент использования установленной мощности по сравнению с мазутными и угольными станциями, отличаются более стабильным теплоснабжением и не несут затрат по хранению топлива. Работающие на газе станции находятся в лучшем состоянии, чем угольные и мазутные, так как они относительно недавно введены в эксплуатацию. А также цены на газ регулируются государством. Таким образом, становится более перспективным строительство тепловых электростанций, топливом для которых является газ. Также на ТЭС перспективно использование пылеочистительного оборудования с максимально возможным КПД, при этом образующуюся золу использовать в качестве сырья при производстве строительных материалов.

    Строительство ГЭС в свою очередь требует затопления большого количества плодородных земель, или в результате давления воды на земную кору ГЭС может вызвать землетрясение. Кроме этого сокращаются рыбные запасы в реках. Перспективным становится строительство сравнительно небольших ГЭС, не требующих серьезных капиталовложений, работающих в автоматическом режиме преимущественно в горной местности, а также - обваловка водохранилищ для освобождения плодородных земель.

    Что же касается ядерной энергетики, то строительство АЭС имеет определенный риск, из-за того, что трудно предсказать масштабы последствий при осложнении работы энергоблоков АЭС или при форс-мажорных обстоятельствах. Также не решена проблема утилизации твердых радиоактивных отходов, несовершенна и система защиты. Ядерная электроэнергетика имеет наибольшие перспективы в развитии термоядерных электростанций. Это практически вечный источник энергии, почти безвредный для окружающей среды. Развитие атомной электроэнергетики в ближайшей перспективе будет основано на безопасной эксплуатации существующих мощностей, с постепенной заменой блоков первого поколения наиболее совершенными российскими реакторами. Наибольший ожидаемый рост мощностей произойдет за счет завершения строительства уже начатых станций.

    Существует 2 противоположные концепции дальнейшего существования ядерной электроэнергетики в стране.

    • 1. Официальная, которая поддерживается Президентом и Правительством. Основываясь на положительных чертах АЭС, они предлагают программу широкого развития электроэнергетики России.
    • 2. Экологическая, во главе которой стоит академик Яблоков. Сторонники этой концепции полностью отвергают возможность нового строительства атомных электростанций, как по экологическим, так и по экономическим соображениям.

    Есть и промежуточные концепции. Например ряд специалистов считает, что нужно ввести мораторий на строительство атомных электростанций опираясь на недостатки АЭС. Другие же предполагают, что остановка развития ядерной электроэнергетики может привести к тому, что Россия полностью потеряет свой научно-технический и промышленный потенциал в ядерной энергетике.

    Исходя из всех негативных влияний традиционной энергетики на окружающую среду, большое внимание уделяется изучению возможностей использования нетрадиционных, альтернативных источников энергии. Практическое применение уже получили энергия приливов и отливов и внутреннее тепло Земли. Ветровые энергоустановки имеются в жилых поселках Крайнего Севера. Ведутся работы по изучению возможности использования биомассы в качестве источника энергии. В будущем, возможно, огромную роль будет играть гелиоэнергетика.

    Опыт развития отечественной электроэнергетики выработал следующие принципы размещения и функционирования предприятий этой отрасли промышленности:

    • 1. концентрация производства электроэнергии на крупных районных электростанциях, использующих относительно дешевое топливо и энергоресурсы;
    • 2. комбинирование производства электроэнергии и тепла для теплофикации населенных пунктов, прежде всего городов;
    • 3. широкое освоение гидроресурсов с учетом комплексного решения задач электроэнергетики, транспорта, водоснабжения;
    • 4. необходимость развития атомной энергетики, особенно в районах с напряженным топливно-энергетическим балансом, с учетом безопасности использования АЭС;
    • 5. создание энергосистем, формирующих единую высоковольтную сеть страны.

    В настоящий момент России нужна новая энергетическая политика, которая была бы достаточно гибкой и предусматривала все особенности данной отрасли, в том числе и особенности размещения. В качестве основных задач развития российской энергетики можно выделить следующие:

    ь Снижение энергоемкости производства.

    ь Сохранение целостности и развитие Единой энергетической системы России, ее интеграция с другими энергообъединениями на Евразийском континенте;

    ь Повышение коэффициента используемой мощности электростанций, повышение эффективности функционирования и обеспечение устойчивого развития электроэнергетики на базе современных технологий;

    ь Полный переход к рыночным отношениям, освобождение цен на энергоносители, полный переход на мировые цены.

    ь Скорейшее обновление парка электростанций.

    ь Приведение экологических параметров электростанций к уровню мировых стандартов, снижение вредного воздействия на окружающую среду

    Исходя из данных задач создана "Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до 2020 года", одобренная Правительством РФ. (диаграмма 2)

    Приоритетами Генеральной схемы в рамках установленных ориентиров долгосрочной государственной политики в сфере электроэнергетики являются:

    ь опережающее развитие электроэнергетической отрасли, создание в ней экономически обоснованной структуры генерирующих мощностей и электросетевых объектов для надежного обеспечения потребителей страны электрической и тепловой энергией;

    ь оптимизация топливного баланса электроэнергетики за счет максимально возможного использования потенциала развития атомных, гидравлических, а также использующих уголь тепловых электростанций и уменьшения в топливном балансе отрасли использования газа;

    ь создание сетевой инфраструктуры, развивающейся опережающими темпами по сравнению с развитием электростанций и обеспечивающей полноценное участие энергокомпаний и потребителей в функционировании рынка электрической энергии и мощности, усиление межсистемных связей, гарантирующих надежность взаимных поставок электрической энергии и мощности между регионами России, а также возможность экспорта электрической энергии;

    ь минимизация удельных расходов топлива на производство электрической и тепловой энергии путем внедрения современного высокоэкономичного оборудования, работающего на твердом и газообразном топливе;

    ь снижение техногенного воздействия электростанций на окружающую среду путем эффективного использования топливно-энергетических ресурсов, оптимизации производственной структуры отрасли, технологического перевооружения и вывода из эксплуатации устаревшего оборудования, увеличения объема природоохранных мероприятий на электростанциях, реализации программ по развитию и использованию возобновляемых источников энергии.

    По результатам мониторинга в Правительство Российской Федерации ежегодно представляется доклад о ходе реализации Генеральной схемы. Через несколько лет будет видно, насколько она эффективна и насколько реализуются её положения по использованию всех перспектив развития российской энергетики.

    В перспективе Россия должна отказаться от строительства новых крупных тепловых и гидравлических станций, требующих огромных инвестиций и создающих экологическую напряженность. Предполагается строительство ТЭЦ малой и средней мощности и малых АЭС в удаленных северных и восточных регионах. На Дальнем Востоке предусматривается развитие гидроэнергетики за счет строительства каскада средних и малых ГЭС. Новые ТЭЦ будут строиться на газе, и только в Канско-Ачинском бассейне предполагается строительство мощных конденсационных ГРЭС из-за дешевой, открытой добычи угля. Имеет перспективы использование геотермальной энергии. Районами, наиболее перспективными для широкого использования термальных вод являются Западная и Восточная Сибирь, а также Камчатка, Чукотка, Сахалин. В перспективе масштабы использования термальных вод будут неуклонно возрастать. Проводятся исследования по вовлечению неисчерпаемых источников энергии, таких как энергия Солнца, ветра, приливов и др., в хозяйственный оборот, что даст возможность обеспечить в стране экономию энергоресурсов, особенно минерального топлива.





























    Назад Вперёд

    Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

    Презентация представляет собой дополнительный материал к урокам, посвящённым развитию энергетики. Энергетика любой страны является основой развития производительных сил, создания материально – технической базы общества. В презентации отражены проблемы и перспективы всех видов энергетики, перспективные (новые) виды энергетики, используется опыт музейной педагогики, самостоятельные поисковые работы обучающихся (работа с журналом «Япония сегодня»), творческие работы обучающихся (плакаты). Презентацию можно использовать на уроках географии в 9 и 10 классах, во внеурочной деятельности (занятиях на факультативах, элективных курсах), в проведении Недели географии «22 апреля – День Земли», на уроках экологии и биологии «Глобальные проблемы человечества. Сырьевая и энергетическая проблема».

    В своей работе я использовала метод проблемного обучения, который заключался в создании перед обучающимися проблемных ситуаций и разрешении их в процессе совместной деятельности учащихся и учителя. При этом учитывалась максимальная самостоятельность обучающихся и под общим руководством учителя, направляющего деятельность обучающихся.

    Проблемное обучение позволяет не только сформировать у обучающихся, необходимую систему знаний, умений и навыков, достигать высокого уровня развития школьников, но, что особенно важно, оно позволяет сформировать особый стиль умственной деятельности, исследовательскую активность и самостоятельность обучающихся. При работе с данной презентацией у обучающихся проявляется актуальное направление – исследовательская деятельность школьников.

    Отрасль объединяет группу производств, занятых добычей и транспортировкой топлива, выработкой энергии и передачей её потребителю.

    Природные ресурсы, которые используют для получения энергии – это топливные ресурсы, гидроресурсы, ядерная энергия, а также альтернативные виды энергии. Размещение большинства отраслей промышленности зависит от развития электроэнергии. Наша страна располагает огромными запасами топливно – энергетических ресурсов. Россия была, есть и будет одной из ведущих энергетических держав мира. И это не только потому, что в недрах страны находится 12% мировых запасов угля, 13% нефти и 36% мировых запасов природного газа, которых достаточно для полного обеспечения собственных потребностей и для экспорта в сопредельные государства. Россия вошла в число ведущих мировых энергетических держав, прежде всего, благодаря созданию уникального производственного, научно – технического и кадрового потенциала ТЭК.

    Сырьевая проблема

    Минеральные ресурсы – первоисточник, исходная основа человеческой цивилизации практически во всех фазах ее развития:

    – Топливные полезные ископаемые;
    – Рудные полезные ископаемые;
    – Нерудные полезные ископаемые.

    Современные темпы энергопотребления растут в геометрической прогрессии. Если даже учесть, что темпы роста потребления электроэнергии несколько сократятся из-за совершенствования энергосберегающих технологий, запасов электрического сырья хватит максимум на 100 лет. Однако положение усугубляется ещё и несоответствием структуры запасов и потребления органического сырья. Так, 80% запасов органического топлива приходится на уголь и лишь 20% на нефть и газ, в то время как 8/10 современного энергопотребления приходится на нефть и газ.

    Следовательно, временные рамки ещё более сужаются. Однако лишь сегодня человечество избавляется от идеологических представлений о том, что они практически бесконечны. Ресурсы минерального сырья ограничены, фактически невосполнимы.

    Энергетическая проблема.

    Сегодня энергетика мира базируется на источниках энергии:

    – Горючих минеральных ископаемых;
    – Горючих органических ископаемых;
    – Энергия рек. Нетрадиционные виды энергии;
    – Энергия атома.

    При современных темпах подорожания топливных ресурсов Земли проблема использования возобновляемых источников энергии становится всё более актуальной и характеризует энергетическую и экономическую независимости государства.

    Преимущества и недостатки ТЭС.

    Преимущества ТЭС:

    1. Себестоимость электроэнергии на ГЭС очень низкая;
    2. Генераторы ГЭС можно достаточно быстро включать и выключать в зависимости от потребления энергии;
    3. Отсутствует загрязнение воздуха.

    Недостатки ТЭС:

    1. Строительство ГЭС может быть более долгим и дорогим, чем других энергоисточников;
    2. Водохранилища могут занимать большие территории;
    3. Плотины могут наносить ущерб рыбному хозяйству, поскольку перекрывают путь к нерестилищам.

    Преимущества и недостатки ГЭС.

    Преимущества ГЭС:
    – Строятся быстро и дешево;
    – Работают в постоянном режиме;
    – Размещены практически повсеместно;
    – Преобладание ТЭС в энергетическом хозяйстве РФ.

    Недостатки ГЭС:

    – Потребляют большое количество топлива;
    – Требует длительной остановки при ремонтах;
    – Много тепла теряется в атмосфере, выбрасывают много твердых и вредных газов в атмосферу;
    – Крупнейшие загрязнители окружающей среды.

    В структуре выработки электроэнергии в мире первое место принадлежит тепловым электростанциям (ТЭС) – их доля составляет 62%.
    Альтернативой органическому топливу и возобновляемым источником энергии является гидроэнергетика. Гидроэлектростанция (ГЭС) - электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Гидроэнергетика – это получение электроэнергии за счет использования возобновляемых речных, приливных, геотермальных водных ресурсов. Это использование возобновляемых водных ресурсов предполагает управление паводками, укрепление русла рек, переброс водных ресурсов в районы, страдающие от засухи, сохранение подземных токовых вод.
    Однако и здесь источник энергии достаточно сильно ограничен. Это связано с тем, что крупные реки, как правило сильно удалены от промышленных центов либо их мощности практически полностью использованы. Таким образом, гидроэнергетика, в настоящий момент обеспечивающего около 10% производства энергии в мире, не сможет существенно увеличить эту цифру.

    Проблемы и перспективы АЭС

    В России доля атомной энергии достигает 12%. Имеющиеся в России запасы добытого урана обладают электропотенциалом в 15 трлн. кВт.ч, это столько сколько смогут выработать все наши электростанции за 35 лет. На сегодня только атомная энергетика
    способна резко и за короткий срок ослабить явление парникового эффекта. Актуальной проблемой является безопасность АЭС. 2000 год стал началом перехода принципиально новые подходы к нормированию и обеспечению радиационной безопасности АЭС.
    За 40 лет развития атомной энергетики в мире построено около 400 энергоблоков в 26 странах мира. Основными преимуществами атомной энергетики являются высокая конечная рентабельность и отсутствие выбросов в атмосферу продуктов сгорания, основными недостатками является потенциальная опасность радиоактивного заражения окружающей среды продуктами деления ядерного топлива при аварии и проблема переработки использованного ядерного топлива.

    Нетрадиционная (альтернативная энергетика)

    1. Солнечная энергетика . Это использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой.

    Преимущества солнечной энергии:

    – Общедоступность и неисчерпаемость источника;
    – Теоретически, полная безопасность для окружающей среды.

    Недостатки солнечной энергии:

    – Поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата;
    – Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках;
    Фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство потребляет массу других опасных веществ.

    2. Ветроэнергетика . Это отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра - кинетической энергии воздушных масс в атмосфере. Так как энергия ветра является следствием деятельности солнца, то её относят к возобновляемым видам энергии.

    Перспективы ветроэнергетики.

    Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2007 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 94,1 гигаватта, увеличившись впятеро с 2000 год. Ветряные электростанции всего мира в 2007 году произвели около 200 млрд кВт·ч, что составляет примерно 1,3 % мирового потребления электроэнергии. Прибрежная ферма ветроэнергетических установок Миддельгрюнден, около Копенгагена, Дания. На момент постройки она была крупнейшей в мире.

    Возможности реализации ветроэнергетики в России. В России возможности ветроэнергетики до настоящего времени остаются практически не реализованными. Консервативное отношение к перспективному развитию топливно-энергетического комплекса практически тормозит эффективное внедрение ветроэнергетики, особенно в Северных районах России, а также в степной зоне Южного Федерального Округа, и в частности в Волгоградской области.

    3. Термоядерная энергетика. Солнце - природный термоядерный реактор. Ещё более интересной, хотя и относительно отдалённой перспективой выглядит использование энергии ядерного синтеза. Термоядерные реакторы, по расчётам, будут потреблять меньше топлива на единицу энергии, и как само это топливо (дейтерий, литий, гелий-3), так и продукты их синтеза нерадиоактивны и, следовательно, экологически безопасны.

    Перспективы термоядерной энергетики. Данная область энергетики имеет огромный потенциал, в настоящее время в рамках проекта "ITER", в котором участвуют Европа, Китай, Россия, США, Южная Корея и Япония во Франции идет строительство крупнейшего термоядерного реактора, целью которого является вывести УТС (Управляемый термоядерный синтез) на новый уровень. Строительство планируется завершить в 2010 году.

    4. Биотопливо, биогаз. Биотопливо - это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель) и газообразное (биогаз, водород).

    Виды биотоплива:

    – Биометанол
    – Биоэтанол
    – Биобутанол
    – Диметиловый эфир
    – Биодизель
    – Биогаз
    – Водород

    На данный момент самые развитые – биодизель и водород.

    5. Геотермальная энергия. Под вулканическими островами Японии скрыты огромные количества геотермальной энергии, этой энергией можно воспользоваться извлекая горячую воду и пар. Преимущество: выделяет примерно в 20 раз меньше углекислого газа при производстве электричества, что снижает ее влияние на глобальную окружающую среду.

    6. Энергия волн, приливов и отливов. В Японии важнейший источник энергии волновые турбины, которые преобразуют вертикальное движение океанских волн в давление воздуха вращающего турбины электрогенераторов. На побережье Японии установлено большое количество буев, использующих энергию приливов и отливов. Так используют энергию океана для обеспечения безопасности океанского транспорта.

    Огромный потенциал энергии Солнца мог бы теоритически обеспечить все мировые потребности энергетики. Но КПД преобразования тепла в электроэнергию всего 10%. Это ограничивает возможности Солнечной энергетики. Принципиальные трудности возникают и при анализе возможностей создания генераторов большой мощности, использующих энергию ветра, приливы и отливы, геотермальную энергию, биогаз, растительное топливо и т.д. Всё это приводит к выводу об ограниченности возможностей рассмотренных так называемых «воспроизводимых» и относительно экологически чистых ресурсов энергетики, по крайней мере, в относительно близком будущем. Хотя эффект от их использования при решении отдельных частных проблем энергообеспечения может быть уже сейчас весьма впечатляющим.

    Конечно, существует оптимизм по поводу возможностей термоядерной энергии и других эффективных способов получения энергии, интенсивно исследуемых наукой, но при современных масштабах энергопроизводства. При практическом освоении этих возможных источников потребуется несколько десятков лет из-за высокой капиталоёмкости и соответствующей инерционности в реализации проектов.

    Исследовательские работы обучающихся:

    1. Спецрепортаж «Зеленая энергия» для будущего: «Японии является мировым лидером по производству солнечной электроэнергии. 90% солнечной энергии, производимой в Японии, вырабатывается солнечными панелями в обычных домах. Японское правительство поставило цель в 2010 году получить примерно 4,8 млн. кВт энергии от солнечных батарей. Производство электроэнергии из биомассы в Японии. Из кухонных отходов выделяют газ метан. На этом газе работает двигатель, который генерирует электричество, также создаются благоприятные условия для защиты окружающей среды.

    В начале XXI века вопрос модернизации и развития энергетики России крайне обострился с учетом следующих факторов:

    Износ оборудования электростанций, тепловых и электрических сетей к концу первого десятилетия мог превысить 50 %, а это означало, что к 2020 году износ мог достигнуть 90 %;

    Технико-экономические характеристики производства и транспорта энергии изобилуют многочисленными очагами непроизводительных затрат первичных энергоресурсов;

    Уровень оснащения объектов энергетики средствами автоматики, защит и информатики находится на уровне значительно более низком, чем на объектах энергетики стран Западной Европы и США;

    Первичный энергоресурс на ТЭС России используется с КПД не превышающим 32 – 33 %, в отличие от стран, применяющих передовые технологии паросилового цикла с КПД до 50% и выше;

    Уже в первом пятилетии XXI века по мере стабилизации экономики России стало очевидным, что энергетика из «локомотива» экономики может превратится в «полосу препятствий». К 2005 г. энергосистема Московского региона стала дефицитной;

    Изыскание средств для модернизации и развития энергетической базы России в условиях рыночной экономики и реформирования энергетики, исходя из рыночных принципов.

    В этих условиях были созданы несколько программ, однако их дополнения и «развитие» продолжаются.

    Вот одна из программ созданных в конце прошлого века (табл. 6).

    Таблица 6. Вводы мощностей электростанций, млн. кВт.

    Таблица 7. Инвестиционные потребности электроэнергетики, млрд. долл.

    Острота положения дел с энергоснабжением экономики России и социальной сферы по оценкам специалистов РАО «ЕЭС России» иллюстрируется появлением энергодефицитных регионов (в осеннее-зимний период максимума нагрузок потребления).

    Так возникла энергопрограмма ГОЭЛРО-2. Следует заметить, что в различных источниках приводятся значительно отличные друг от друга показатели. Именно поэтому в предыдущих таблицах (табл. 6, табл. 7) нами приведены максимальные из опубликованных показателей. Очевидно, что этот «потолочный» уровень прогнозов может быть использован как ориентир.

    В число основных направлений следует включить:

    1. Ориентация на создание ТЭС на твердом топливе. По мере приведения цен на природный газ к уровню мировых, ТЭС на твердом топливе будут экономически обоснованы. Современные методы сжигания угля (в циркулирующем кипящем слое), а далее угольные технологии комбинированного цикла с предварительной газификацией угля или его сжигание в котлах кипящего слоя под давлением позволяют сделать ТЭС на твердом топливе конкурентными на «рынке» ТЭС будущего.

    2. Применение «дорогого» природного газа на вновь сооружаемых ТЭС будет обосновано лишь при использовании установок комбинированного цикла, а также при создании мини-ТЭС на базе ГТУ и т.п.

    3. Техническое перевооружение существующих ТЭС из-за нарастающего физического и морального износа останется приоритетным направлением. Следует заметить, что при замене узлов и агрегатов появляется возможность внедрения совершенных технических решений, в том числе и в вопросах автоматизации и информатики.

    4. Развитие атомной энергетики в ближайшей перспективе связано с завершением строительства блоков высокой готовности, а также проведением работ по продлению срока службы АЭС на экономически оправданный период времени. В более отдаленной перспективе вводы мощностей на АЭС должны вестись путем замены демонтируемых блоков на энергоблоки нового поколения, отвечающие современным требованиям безопасности.

    Будущее развитие атомной энергетики обусловлено решением ряда проблем, основными из которых является достижение полной безопасности действующих и новых АЭС, закрытие отработавших свой ресурс АЭС, обеспечение экономической конкурентоспособности атомной энергетики по сравнению с альтернативными энергетическими технологиями.

    5. Важным направлением в электроэнергетике для современных условий является развитие сети распределенных генерирующих мощностей путем строительства небольших электростанций, в первую очередь, ТЭЦ небольшой мощности с ПГУ и ГТУ

    Для оценки перспектив ТЭС прежде всего необходимо осознать их преимущества и недостатки в сравнении с другими источниками электроэнергии.

    К числу преимуществ можно отнести следующие.

    • 1. В отличие от ГЭС тепловые электростанции можно размещать относительно свободно с учетом используемого топлива. Газомазутные ТЭС могут быть построены в любом месте, так как транспорт газа и мазута относительно дешев (по сравнению с углем). Пылеугольные ТЭС желательно размещать вблизи источников добычи угля. К настоящему времени «угольная» теплоэнергетика сложилась и имеет выраженный региональный характер.
    • 2. Удельная стоимость установленной мощности (стоимость 1 кВт установленной мощности) и срок строительства ТЭС значительно меньше, чем АЭС и ГЭС.
    • 3. Производство электроэнергии на ТЭС в отличие от ГЭС не зависит от сезона и определяется только доставкой топлива.
    • 4. Площади отчуждения хозяйственных земель для ТЭС существенно меньше, чем для АЭС, и, конечно, не идут ни в какое сравнение с ГЭС, влияние которых на экологию может иметь далеко не региональный характер. Примерами могут служить каскады ГЭС на р. Волге и Днепре.
    • 5. На ТЭС можно сжигать практически любое топливо, в том числе самые низкосортные угли, забалластированные золой, водой, породой.
    • 6. В отличие от АЭС нет никаких проблем с утилизацией ТЭС по завершении срока службы. Как правило, инфраструктура ТЭС существенно «переживает» основное оборудование (котлы и турбины), установленное на ней, а здания, машзал, системы водоснабжения и топливоснабжения и т.д., которые составляют основную часть фондов, еще долго служат. Большинство ТЭС, построенных более 80 лег по плану ГОЭЛРО, до сих пор работают и будут работать дальше после установки на них новых, более совершенных турбин и котлов.

    Наряду с этими достоинствами, ТЭС имеет и ряд недостатков.

    • 1. ТЭС - самые экологически «грязные» источники электроэнергии, особенно те, которые работают на высокозольном сернистом топливе. Правда, сказать, что АЭС, не имеющие постоянных выбросов в атмосферу, но создающие постоянную угрозу радиоактивного загрязнения и имеющие проблемы хранения и переработки отработавшего ядерного топлива, а также утилизации самой АЭС после окончания срока службы, или ГЭС, затопляющие огромные площади хозяйственных земель и изменяющие региональный климат, являются экологически более «чистыми» можно лишь со значительной долей условности.
    • 2. Традиционные ТЭС имеют сравнительно низкую экономичность (лучшую, чем у АЭС, но значительно худшую, чем у ПГУ).
    • 3. В отличие от ГЭС, ТЭС с трудом участвуют в покрытии переменной части суточного графика электрической нагрузки.
    • 4. ТЭС существенно зависят от поставки топлива, часто привозного.

    Несмотря на все эти недостатки, ТЭС являются основными производителями электроэнергии в большинстве стран мира и останутся таковыми, по крайней мере на ближайшие 50 лет.

    Перспективы строительства мощных конденсационных ТЭС тесно связаны с видом используемого органического топлива. Несмотря на большие преимущества жидкого топлива (нефти, мазута) как энергоносителя (высокая калорийность, легкость транспортировки), его использование на ТЭС будет все более и более сокращаться не только в связи с ограниченностью запасов, но и в связи с его большой ценностью как сырья для нефтехимической промышленности. Для России немалое значение имеет и экспортная ценность жидкого топлива (нефти). Поэтому жидкое топливо (мазут) на ТЭС будет использоваться либо как резервное топливо на газомазутных ТЭС, либо как вспомогательное топливо на пылеугольных ТЭС, обеспечивающее устойчивое горение угольной пыли в котле при некоторых режимах.

    Использование природного газа на конденсационных паротурбинных ТЭС нерационально: для этого следует использовать парогазовые установки утилизационного типа, основой которых являются высокотемпературные ГТУ.

    Таким образом, далекая перспектива использования классических паротурбинных ТЭС и в России, и за рубежом прежде всего связана с использованием углей, особенно низкосортных. Это, конечно, не означает прекращения эксплуатации газомазутных ТЭС, которые будут постепенно заменяться ПТУ.

    Тепловые электрические станции (ТЭС) на органическом топливе многие десятилетия остаются основным промышленным источником электроэнергии, обеспечивающим позитивную динамику роста мировой экономики. По данным МЭА («Key World Energy Statistics 2007») все ТЭС мира обеспечили в 2005 г. производство 12149 млрд. кВт·ч электрической энергии, покрывая две трети доли ее мирового потребления. Основными источниками первичной энергии для ТЭС являются ископаемые виды органического топлива – уголь, природный газ и нефть. Главным из них служит уголь, обеспечивающий 40,3% современного мирового производства электроэнергии. На долю природного газа приходится 19,7% мирового производства электроэнергии, нефти – 6,6%.

    По прогнозам МЭА («World Energy Outlook 2006», IEA) мировая потребность в электроэнергии к 2030 году более чем в 2 раза превысит современный уровень и достигнет 30116 млрд. кВт·ч (рис. 6.1). При сохранении существующих тенденций умеренного развития атомной энергетики, предусмотренного в прогнозе МЭА, доля ТЭС в общем производстве электроэнергии увеличится и несколько превысит современный уровень. В случае осуществления прогноза МАГАТЭ 2006 г., предполагающего ренессанс атомной энергетики с увеличением ее доли в мировом производстве электрической энергии в 2030 г. до 25% против 11,7% по прогнозу МЭА, на долю ТЭС все равно прийдется покрытие более половины потребности человечества в электрической энергии.

    В соответствии с прогнозом МЭА («World Energy Outlook 2006», IEA) основным видом топлива для ТЭС останется уголь (рис. 6.2). Доминирующая роль угольных ТЭС сохранится и при реализации сценария МАГАТЭ.

    Разведанные запасы ископаемого органического топлива достаточны для устойчивой работы тепловой энергетики на протяжении многих десятилетий. По современным данным, обеспеченность потребностей мирового сообщества в нефти и природном газе, исходя из доказанных извлекаемых ресурсов, оценивается в 50–70 лет, угля – более чем в 200 лет. В последние 20–30 лет эти сроки постоянно корректируются в сторону увеличения в результате опережающих темпов геологоразведки и совершенствования технологий извлечения разведанных запасов.

    Наиболее важной проблемой перспективного развития тепловой энергетики мира остается, как и прежде, дальнейшее технологическое совершенствование ТЭС с целью повышения экономичности, надежности и экологической чистоты производства электрической и тепловой энергии.

    Повышение эффективности ТЭС представляет собой естественный процесс, диктуемый необходимостью компенсации постоянно растущих затрат топливного цикла. Разведка, освоение и эксплуатация новых месторождений нефти, газа и угля, как и доработка существующих, обходятся все более высокой ценой, и поддержка приемлемых цен на электрическую энергию требует адекватного опережающего повышения к.п.д. ТЭС. Помимо этого, необходимость повышения эффективности диктуется и экологическими соображениями.

    Непосредственную экологическую опасность на локальном и региональном уровнях создают атмосферные выбросы вредных веществ с продуктами сгорания органического топлива – газообразные оксиды серы и азота, твердые частицы (зола), летучие органические соединения (в частности бензопирен), летучие соединения тяжелых металлов (ртути, ванадия, никеля). Определенную экологическую опасность представляют собой ТЭС и как масштабные загрязнители водных бассейнов. На долю современных ТЭС приходится до 70% промышленного забора воды из природных источников, что составляет значительную часть водных ресурсов многих стран, испытывающих проблемы обеспечения пресной водой. Нельзя не отметить также существенное влияние тепловой энергетики на прямые и косвенные изменения местных ландшафтов в процессах захоронения золы и шлаков, добычи, транспорта и хранения топлива.

    Практически все факторы отрицательного влияния ТЭС на окружающую среду должны быть снижены до экологически безопасного уровня, как за счет повышения к.п.д., так и в результате осуществления известных и вновь разрабатываемых природоохранных технологий, в частности технологий улавливания вредных веществ в технологических процессах подготовки топлива, его сжигания и удаления газовых и твердых продуктов сгорания, безреагентных технологий подготовки воды и др. Указанные меры требуют существенных затрат. Однако, как показывают прогнозные исследования, правильная организация последовательного внедрения все более эффективных, хотя и более дорогостоящих, природоохранных мероприятий по мере роста возможностей мировой экономики позволит избежать чрезмерного воздействия этих затрат на цену электрической энергии.

    Наряду с локальными влияниями, ТЭС мира все больше увеличивают свой вклад в глобальные экологические процессы, ведущие, в частности, к изменению климата планеты. Тепловая энергетика является одним из основных источников выбросов в атмосферу водяного пара, углекислого газа, пыли и других компонентов – поглотителей длинноволнового инфракрасного излучения земной поверхности. Повышение концентрации поглощающих компонентов атмосферы вызывает так называемый парниковый эффект – разогрев поверхности Земли коротковолновым солнечным излучением вследствие ухудшения условий ее радиационного охлаждения из-за экранирующего действия поглощающих компонентов атмосферы.

    Работа ТЭС сопровождается выбросами многих парниковых газов, основными из которых являются водяной пар и углекислый газ, образующиеся при горении всех видов углеводородного органического топлива. Выброс водяного пара ТЭС, работающих на угле, не приводит к заметному росту его концентрации в атмосфере, поскольку он пренебрежимо мал по сравнению с естественным испарением воды. Кроме того, значительная часть выбросов ТЭС конденсируется и удаляется с осадками. В то же время продукты сгорания угля и антропогенный выброс углекислого газа, в отличие от пара, накапливаются в атмосфере, способствуя развитию парникового эффекта. Ежегодный выброс СО 2 всеми ТЭС мира приближается к 10 млрд. т углекислого газа, составляя около 30% всех антропогенных выбросов парниковых газов в атмосферу планеты. Выбросы водяных паров становятся заметными при работе ТЭС на природном газе, однако при этом уменьшаются удельные выбросы СО 2 .

    Принято считать, что усиление парникового эффекта, вызываемого повышением концентрации углекислого газа в атмосфере, приводит ко все более заметному росту температуры планеты, что может иметь глобальные катастрофические последствия уже в ближайшем будущем. Данное утверждение поддерживается не всеми, однако в силу значительности угрозы оно считается официально принятым.

    16 февраля 2005 года вступил в силу Киотский протокол к Рамочной конвенции ООН об изменении климата, имеющий целью сокращение выбросов газов, способствующих глобальному потеплению. Протоколом, подписанным в 1997 году 159 странами на состоявшемся в Киото под эгидой ООН международном саммите, определено, что 39 промышленно развитых стран мира обязуются сокращать выбросы углекислого газа и пяти других веществ, присутствие которых в атмосфере влияет на изменение климата на планете. Подписавшие протокол страны обязались к 2012 году сократить на 5,2% выбросы вредных газов в атмосферу по сравнению с показателями 1990 года. Документ ратифицирован 125 странами мира, на долю которых приходится более 55% суммарных выбросов парниковых газов. Осуществить соглашение стало возможным после ратификации протокола в России, на долю которой приходится 17,4% выбросов парниковых газов. Вместе с тем крупнейшие страны мира – США, дающие 36% мирового выброса углерода, а также Индия и Китай – к протоколу не присоединились, хотя в этих странах также проводятся работы по сокращению выбросов парниковых газов. В частности, в США установлен пятилетний период льготного налогообложения возобновляемых источников энергии и энергосберегающих технологий на сумму 3,6 млрд.дол. Плановый объем ежегодного финансирования мероприятий, направленных на предотвращение изменений климата, составил в США 5,8 млрд. дол., в том числе 3 млрд. дол. на развитие новых технологий и еще 2 млрд. на научные исследования в этой области.

    Однако усилия, предпринятые в рамках Киотского протокола, пока не дали нужного эффекта. По данным МЭА, в течение последнего десятилетия уровень выбросов парниковых газов не только не снизился, но и возрос более чем на 20%. При сохранении современных тенденций мирового развития выбросы парниковых газов возрастут к 2050 году еще в 2,5 раза.

    Результаты прогнозных исследований показывают, что рост производства электрической энергии в развивающихся странах будет происходить в основном за счет преимущественного использования собственных запасов угля – первичного энергоносителя, дающего наибольший выброс СО 2 на единицу полученной энергии.

    Для стран, не имеющих достаточных его запасов, прогнозируется рост тепловой энергетики на базе местных видов органического топлива, растительной биомассы, промышленных и бытовых отходах.

    Прогнозируемые внешние условия будущего развития теплоэнергетики мира определяют следующие долгосрочные приоритеты ее технологического роста:

    • существенное повышение эффективности и экологической безопасности тепловой энергетики на твердом топливе с обеспечением в перспективе близких к нулю выбросов вредных веществ;
    • существенное повышение эффективности электроэнергетики на природном газе;
    • развитие комбинированного производства электрической энергии и других видов энергии;
    • развитие экономически эффективных технологий получения электрической энергии из некондиционной и возобновляемой органики;
    • развитие технологий улавливания и хранения парниковых газов.

    По состоянию на 2003 г. суммарная установленная мощность ТЭС мира составляла 2591 ГВт, из них ТЭС на угле – 1119 ГВт, природном газе

    1007 ГВт, нефти – 372 ГВт. Около 11% мирового парка ТЭС отслужило более 40 лет, около 60% – более 20 лет. Средняя эффективность ТЭС мира ненамного превышает 35%.

    Для обеспечения прогнозных уровней выработки электрической энергии суммарная установленная мощность ТЭС должна быть увеличена к 2030 г. до 4352 ГВт. В соответствии с прогнозным сценарием МЭА это потребует ввода 1761 ГВт новых ТЭС и реконструкции более 2000 ГВт существующей мощности.

    В соответствии с современными прогнозами, учитывающими обеспеченность топливными ресурсами, совершенствование технологий, экономические и экологические последствия роста выбросов загрязняющих веществ, наиболее быстрыми темпами будут развиваться в ближайшие десятилетия мощности ТЭС на угле, а также на природном газе.

    Поэтому совершенсвованию и внедрению новых эффективных технологий для ТЭС на твердом и газообразном топливе уделяется наибольшее внимание. Наряду с этим, получают развитие научно-исследовательские работы, направленные на разработку и внедрение перспективных технологий максимального улавливания вредных веществ, в том числе парниковых газов, из продуктов сгорания топлива, обеспечение экологической безопасности ТЭС.

    Тепловая энергетика на природном газе

    Перспективные технологии ТЭС на природном газе, ориентированные на применение в большой энергетике, наиболее интенсивно развиваются по следующим основным направлениям: Высокотемпературные газотурбинные установки (ГТУ).

    • Комбинированные или парогазовые установки (ПГУ), сочетающие газотурбинный и паротурбинный циклы.
    • Высокотемпературные топливные элементы.
    • Гибридные установки на основе сочетания ПГУ с высокотемпературными топливными элементами.

    Главными задачами исследований и разработок в области газотурбинных технологий являются повышение мощности, к.п.д. и экологических показателей газовых турбин, создание «гибких» газотурбинных установок, работающих на продуктах газификации различных видов топлива, газовых турбин для работы в составе крупных комбинированных и гибридных установок. К основным направлениям совершенствования ГТУ относятся повышение начальных температур газа перед газовой турбиной за счет применения более эффективных высокотемпературных конструкционных материалов и создания более эффективных систем тепловой защиты высокотемпературных элементов ГТУ при одновременном совершенствовании процессов экологически чистого сжигания топлива. К настоящему времени промышленно освоены энергетические ГТУ на начальные температуры 1260–1400°С с к.п.д. 35–36,5%. В стадии демонстрационных и опытно-промышленных образцов находятся ГТУ нового поколения на базе металлокерамики с рабочей температурой выше 1500°С и к.п.д. на уровне 40% и выше.

    Важным направлением использования высокоэффективных энергетических ГТУ является их применение в составе мощных парогазовых энергоблоков ТЭС и ТЭЦ. Действующие парогазовые установки (ПГУ), реализующие высокотемпературный газотурбинный цикл Брайтона с отводом тепла в двухконтурный паротурбинный цикл Ренкина (цикл двух давлений), обеспечивают получение эксплуатационного электрического к.п.д. на уровне 48–52%. По такой схеме работают, в частности, первые в России теплофикационные ПГУ мощностью 450 МВт, установленные на Северо-Западной ТЭЦ Санкт-Петербурга. Они имеют расчетный к.п.д. нетто 51%, фактический эксплуатационный к.п.д. в режиме регулирования мощности – 48–49%.

    Перспективы дальнейшего совершенствования бинарных парогазовых установок определяются повышением эффективности передачи теплоты от выхлопных газов ГТУ в паротурбинный цикл и уменьшением потерь при конденсации пара. Традиционное направление решения этих задач связано с повышением количества контуров (ступеней давления) паротурбинного цикла. В трехконтурной установке ТЭС «Иокогама» (Япония) достигнут к.п.д. на уровне 55%.

    Использование более экономичных газовых турбин позволит повысить к.п.д. ПГУ с двухи трехконтурной схемами до 60%, применение водяного охлаждения и другие схемные решения – до 61,5–62% и более.

    Более отдаленные перспективы повышения к.п.д. ТЭС на природном газе связаны с созданием гибридных установок, представляющих собой сочетание высокотемпературных электрохимических источников тока (топливных элементов) с парогазовой установкой.

    Высокотемпературные топливные элементы (ТЭ), твердооксидные (SOFC) или на основе расплавленных карбонатов (MCFC), работающие при температуре 850 и 650°С, служат источниками тепла для ПГУ. К настоящему времени созданы образцы высокотемпературных энергетических топливных элементов единичной мощностью от 200 кВт до 10 МВт, пригодные для этой цели. Высокотемпературные топливные элементы могут работать на водороде и/или синтез-газе (смесь водорода с угарным газом). Для его получения используется процесс риформинга (паровой конверсии) природного газа. Для получения водорода из синтез-газа применяется процесс каталитического окисления угарного газа с последующим удалением СО 2 . Данные процессы широко применяются в азотной промышленности.

    В ходе выполнения научно-технической программы США «Видение-21» на демонстрационной гибридной установке мощностью около 20 МВт получен к.п.д. на уровне 60%. На 2010 год запланирован пуск гибридной установки с к.п.д. на уровне 70%. В более отдаленной перспективе намечается достижение к.п.д. на уровне 75% с созданием энергетических установок мощностью до 300 МВт и более (рис. 6.3). К 2012–2015 гг. намечено создание всех необходимых для этого технологических компонентов.

    В области малой энергетики (см. раздел 4.4) наибольший интерес представляют когенерационные технологии на базе газовых двигателей внутреннего сгорания и электрохимических источников тока (топливных элементов). К настоящему времени в США, Японии, Европе получают применение установочные партии когенерационных низкои среднетемпературных топливных элементов соответственно с протон-обменной мембраной (PEFC) и фосфорнокислые (PAFC). Эти установки бесшумны, более эффективны и экологичны, чем газовые двигатели внутреннего сгорания. Перспективы масштабного применения когенерационых ТЭ связаны с уменьшением их удельной стоимости.

    Перспективные технологии угольной энергетики

    К числу интенсивно разрабатываемых направлений экологически чистого использования твердого топлива, предполагаемых к промышленному внедрению в ближайшей (до 2010 г.) и долговременной перспективе, относятся паротурбинные ТЭС с суперсверхкритическим давлением (параметрами) пара (ССКД); парогазовые ТЭС на угле; гибридные парогазовые ТЭС.

    Работы по созданию энергоблоков на суперсверхкритические параметры пара были начаты в США и СССР еще в середине прошлого века. В основе создания энергоблоков ССКД лежат известные методы повышения термического к.п.д. цикла Ренкина за счет перехода на более высокие рабочие температуры и давление пара перед турбиной. Применение данных мер на практике сдерживается прочностными характеристиками применяемых материалов, а также ростом стоимости установки. Существует технико-экономический оптимум температур и давлений пара, определяемый свойствами материалов энергетической установки и ценами на топливо. Во второй половине прошлого века этим условиям отвечал сверхкритический цикл Ренкина с однократным промежуточным перегревом пара, начальным давлением 23,5 МПа, температурой первичного и вторичного перегрева 540°С. В последние годы прогресс в области материаловедения сделал возможным дальнейшее повышения параметров цикла Ренкина.


    В Дании и Японии построены и успешно эксплуатируются на каменном угле энергоблоки мощностью 380–1050 МВт с давлением свежего пара 24–30 МПа и перегревом до 580–610 °С. Среди них есть блоки с двукратным промперегревом до 580°С. К.п.д. лучших японских блоков находится на уровне 45–46%, датских, работающих на холодной циркуляционной воде с глубоким вакуумом, – на 2–3% выше. В ФРГ построены буроугольные энергоблоки мощностью 800–1000 МВт с параметрами пара до 27 МПа, 580/600°С и к.п.д. до 45%.

    Работы над энергоблоком с суперсверхкритическими параметрами пара (давление 30 МПа, температура 600/600°С) возобновлены в России. Они подтвердили реальность создания такого блока мощностью 300–525 МВт с к.п.д. около 46% уже в ближайшие годы.

    После длительного перерыва возобновлены работы, направленные на внедрение суперсверхкритических параметров пара в США. Они концентрируются в основном на разработке и испытаниях необходимых материалов, способных обеспечить эксплуатацию оборудования при температурах пара до 870°С и давлении до 35 МПа.

    В странах Европейского Союза с участием большой группы энергетических и машиностроительных компаний разрабатывается усовершенствованный пылеугольный энергоблок ССКД с давлением свежего пара 37,5 МПа, температурой 700°С и двойным промперегревом до 720°С при давлениях 12 и 2,35 МПа. При давлении в конденсаторе 1,5–2,1 кПа к.п.д. блока может достичь 53–54%. Ввод в эксплуатацию намечен после 2010 г. К 2030 г. предполагается достижение к.п.д. до 55% при температурах пара до 800°С.

    Важность значительного повышения эффективности ТЭС за счет дальнейшего совершенствования отработанных технологий показана в таблице 6.1 на примере трех ТЭС, построенных в Германии в 2002–2004 годах.

    Перспективные разработки парогазовых установок на угле проводятся многими странами. Наибольший прогресс ожидается по двум направлениям работ: газификация угля и прямое сжигание угля под давлением. Научно-технические разработки ПГУ на угле интенсивно проводятся в США в рамках программы «Чистые угольные технологии» по

    11 проектам с объемом финансирования 2,9 млрд. дол. Мощность задействованных в проектах установок превышает 2,2 ГВт. Пять проектов посвящены ПГУ со сжиганием угля под давлением, 4 – ПГУ с газификацией угля, 2 – перспективным технологиям сжигания с использованием ДВС.

    Рабочий цикл ПГУ с газификацией включает воздушную или паровоздушную газификацию угля под давлением, создаваемым компрессором ГТУ, очистку генераторного газа от соединений серы и твердых частиц, последующее сжигание генераторного газа в камере сгорания парогазовой установки, работающей так же, как и на природном газе. Сегодня в мире эксплуатируются около 400 крупных промышленных газификационных установок суммарной мощностью 46 ГВт. Половина из них работает на угле. Однако реализация ПГУ на их основе связана с определенными трудностями. Они обусловлены, с одной стороны, более низким качеством энергетических углей, содержащих обычно большое количество минеральных включений, серы и смол, а с другой, – высокими требованиями к чистоте генераторного газа по условиям химической коррозии и механической эрозии газотурбинной установки. Кроме того, существенно более высокие требования, чем в промышленности, предъявляются к энергетической эффективности процессов получения и очистки генераторного газа, а также к массогабаритным характеристикам газогенераторов. Эти обстоятельства создают существенные трудности практической реализации ПГУ на угле с приемлемыми показателями к.п.д. и удельной стоимости.

    Таблица 6.1 Повышение эффективности ТЭС за счет совершенствования отработанных технологий на примере трех ТЭС, построенных в Германии в 2002–2004 годах

    Показатель

    «Niederaussem»

    ТЭС (земля Северный

    Рейн–Вестфалия)

    ТЭС комбинированного цикла, Mainz–Wiesbaden

    Мощность, МВт

    Бурый уголь

    Каменный уголь

    Природный газ

    достигнутый

    прогнозируемый в 2020 г.

    > 46 (2004 г.)

    > 58 (2002 г.)

    Примечание. В скобках указан год достижения к.п.д.

    Однако, учитывая значительные среднесрочные и отдаленные перспективы, связанные с дальнейшим примененим технологий улавливания СО 2 , эти трудности представляются преодолимыми.

    Проектные проработки различных схем ПГУ с газификацией угля наиболее распространенных марок проводились в СССР на рубеже 1990-х годов. Они показали возможность создания ПГУ единичной мощностью 250 – 650 МВт с приемлемыми экологическими характеристиками и к.п.д. 38–45% на основе существовавшей в то время базе газотурбинных двигателей.

    В США действуют 4 опытно-промышленные установки ПГУ с газификацией угля, в том числе ПГУ «Polk» мощностью 250 МВт, «Puyertollano» (350 МВт), «Bugenno» (250 МВт), «Wabash River», показывающие возможность получения к.п.д. на уровне 46–48%, характерном и для энергоблоков СКД. Фактический средний удельный расход теплоты (по высшей теплоте сгорания) ПГУ «Polk» составляет 9864 кДж/кВт·ч, ПГУ «Wabash River» – 9400 кДж/кВт·ч, что соответствует к.п.д. по низшей теплоте сгорания на уровне соответственно 38 и 40%. В 2010 г. предполагается ввод ПГУ «Mesaba» (штат Миннесота) с газификацией угля мощностью 531 МВт и эффективностью на уровне 41,7%.

    В стадии рассмотрения находится проект сооружения демонстрационной ПГУ мощностью 500 МВт, предполагающий получение первоначально к.п.д. 44,4% с его доведением до 46%. В перспективе, по мере перехода на высокотемпературные газотурбинные установки на синтез-газе, к.п.д. ПГУ с газификацией угля может быть повышен до 53%.

    Наибольшее промышленное развитие ПГУ с газификацией твердого топлива получили в Италии применительно к использованию нефтяного кокса – продукта масштабной переработки нефти. Здесь действуют 3 ПГУ с газификацией нефтяного кокса на ТЭС «Isab» (520 МВт), «Sarlux» (550 МВт) и «Falconara» (280 МВт). В 2005 г. планировалась к вводу ПГУ на ТЭС «Ferrera Erbognone» мощностью 250 МВт вблизи нефтеперабатывающего завода «Sannazaro». Еще 10 ПГУ введены или сооружаются на химических заводах Италии.

    Считается, что технология газификации угля обеспечивает наиболее универсальный и чистый способ превращения угля в электричество, водород и другие ценные энергетические продукты. Именно газификация может стать основой для создания электростанций нового поколения на ближайшие десятилетия.

    При отработке узлов и компонентов перспективных газификационных ПГУ на низкосортных энергетических углях, осуществляемых сегодня по нескольким масштабным проектам, преследуются не только непосредственные, но и более отдаленные цели. К их числу относится, в частности, создание на основе ПГУ с газификацией гибридных ТЭС, включающих высокотемпературные топливные элементы, а также энерготехнологических установок, сочетающих генерацию электроэнергии с получением высококачественного транспортного топлива из синтез-газа, безэмиссионных энергетических установок, реализующих улавливание, связывание и захоронение углекислого газа и позволяющих резко повысить топливную эффективность.

    В настоящее время созданы топливные элементы мощностью 200 кВт – 1 МВт, способные работать на синтез-газе и/или водороде, получаемом из синтез-газа.

    В ПГУ со сжиганием угля применяют технологию прямого сжигания угля в топке под давлением. Воздух подается в угольную топку компрессором ГТУ с давлением 1–1,5 МПа, продукты сгорания после очистки от золы уноса расширяются в газовой турбине и производят полезную работу. Теплота сгорания угля и теплота выхлопных газов ГТУ используются в паротурбинном цикле. Основные преимущества ПГУ со сжиганием угля под давлением обусловлены возможностью получения высоких экологических характеристик ТЭС за счет надлежащей организации процесса горения. Температура горения угля в таких установках поддерживается на уровне

    800–900°С, что позволяет поддерживать приемлемо низкую скорость образования оксидов азота. Кроме того, процесс горения сопровождается химическим связыванием соединений серы в результате их реакции с доломитом, что существенно снижает их присутствие в выхлопных газах установки. Основные трудности практической реализации установок такого типа связаны с предотвращением механической эрозии газовой турбины, возникающей из-за присутствия в топочных газах твердых частиц золы уноса, а также с уменьшением массогабаритных характеристик топок, работающих под давлением.

    Опыт, накопленный в процессе долговременной эксплуатации нескольких ТЭЦ такого типа мощностью около 20 МВт, подтвердил высокие экологические и экономические характеристики этих установок. Характерным примером установки сжигания угля под давлением является, в частности, ТЭЦ, действующая в г. Стокгольме, Швеция. На ТЭЦ используется процесс сжигания предварительно подготовленной пасты из увлажненной смеси угля с доломитом, выдавливаемой через профильные отверстия в днище топки котла диаметром около 20 м. Теплота сгорания топлива воспринимается погружными теплообменниками паротурбинного контура. Дымовые газы после предварительной очистки от золы уноса в высокотемпературных рукавных фильтрах поступают в газовую турбину. Отработавшие газы проходят дополнительную очистку от твердых частиц в рукавных фильтрах, после чего выводятся в дымовую трубу. Средний электрический к.п.д. установки составляет 45%. Существенный эрозионный износ газовой турбины не зафиксирован.

    Основная трудность распространения описанной технологии на энергоблоки ТЭС мощностью 100–300 МВт и выше обусловлена неприемлемым по условиям прочности ростом массогабаритных характеристик топки, что требует интенсификации процесса горения угля. Наибольшую скорость такого процесса обеспечивает сжигание угольно-доломитной смеси в кипящем слое под давлением (КСД). Именно эта технология ПГУ на угле рассматривается сегодня как наиболее перспективная. ПГУ с КСД (технология PFBC), как уже отмечалось выше, интенсивно исследуются в США на пяти демонстрационных установках.

    К достоинствам ПГУ с КСД относят полноту (> 99%) сгорания различных сортов угля, высокие коэффициенты теплопередачи и небольшие поверхности нагрева, низкие (до 850°С) температуры горения и вследствие этого небольшие (менее 200 мг/м 3 ) выбросы NO X , отсутствие шлакования, возможность добавки в слой сорбента (известняка, доломита) и связывание в нем 90–95% содержащейся в угле серы.

    Достаточно высокий к.п.д. (40–42% в конденсационном режиме) достигается в ПГУ с КСД уже при умеренных мощностях (около 100 МВт эл. ) и докритических параметрах пара. Вследствие небольших размеров котла и отсутствия сероочистки площадь, занимаемая ПГУ с КСД, невелика. Возможны блочно-комплектная поставка их оборудования и модульное строительство с уменьшением его стоимости и сроков. Эти обстоятельства определяют возможность применения данной технологии при реконструкции существующих энергоблоков на угле.

    Технология ПГУ с КСД проще и более привычна для энергетиков, чем газификационные установки, представляющие собой сложное химическое производство. Возможны различные комбинации обеих технологий. Целью их являются упрощение систем газификации и очистки газов и уменьшение характерных для них потерь, а также повышение температуры газов перед турбиной и газотурбинной мощности в схемах с КСД.

    Гибридные установки на твердом топливе представляют собой сочетание ПГУ с газификацией угля с высокотемпературным топливным элементом, работающим на водороде или синтез-газе из твердого топлива (рис. 6.4). Принцип работы гибридных установок на угле тот же, что и на природном газе. Различие состоит только в способе получения водорода и/или синтез-газа для топливных элементов. В угольных гибридных установках исходное топливо должно быть подвергнуто газификации с получением водорода или синтез-газа, а в установках на природном газе – риформингу (паровой конверсии) с получением тех же газов. Дальнейшие отличия состоят в процессах очистки полученных продуктов. Для угольных гибридных установок они, по понятным причинам, протекают сложнее и менее эффективно, чем для газовых.

    Эффективность гибридных установок в сравнении с другими технологиями сжигания угля показана на рис. 6.5.

    Технологии удаления и улавливания углекислого газа

    Полная экологическая чистота тепловой энергетики может быть обеспечена путем улавливания и хранения углекислого газа. Возможности создания соответствующих технологий уже в настоящее время интенсивно изучаются во многих странах мира. Технологии улавливания представляют собой третий, самый радикальный путь борьбы с потеплением климата, наряду с двумя другими – повышением к.п.д. и удалением углерода из органического топлива. Понятие «удаление углерода» объединяет улавливание углерода из энергетических установок и связывание его в природных поглотителях, таких как леса и фермы. Углекислый газ, улавливаемый из антропогенных выбросов, можно захоронить под землей в геологических образованиях или в океанах, а также переработать в топливо, безвредные сухие вещества или в полезные продукты.

    Основные направления работ по комплексной проблеме улавливания и захоронения СО 2 , разрабатываемые в США, включают: разработку процессов улавливания СО 2 с образованием твердых гидратов при низких температурах и высоких давлениях; в вихревой трубе; сухим сорбентом на основе натрия.


    В геологии это комплексные исследования и демонстрация в промышленном масштабе захоронения СО 2 в глубоких неразрабатываемых угольных пластах; вытеснение природного газа из пустот при заполнении СО 2 ; оптимальные геологические условия для накопления СО 2 в засоленных пористо-водоносных горизонтах США; новые методы закачки СО 2 в соленосные формации; химическое связывание СО 2 в глубоких соленосных формациях на Среднем Западе США.

    Перспективные концепции: извлечение газа из мусорных свалок; минерализация СО 2 ; мембранные технологии выделения СО 2 из газовой смеси; селективные высокотемпературные керамические мембраны для проведения реакции риформинга газа с одновременной сепарацией СО 2 ; преобразование СО 2 в биомассу с использованием водорослей.

    Особое внимание к предотвращению выбросов СО 2 должно уделяться при совершенствовании угольных технологий. В США предполагается создание угольных энергокомплексов, способных конкурировать с тепловыми электростанциями на природном газе. Их целесообразно сооружать поэтапно: первый этап – перспективная экологически чистая ПГУ с газификацией; второй этап – внедрение системы удаления и транспортировки СО 2 ; третий этап – организация производства водорода или чистого транспортного топлива.

    Кроме того, интенсивно разрабатываются схемы новых установок, где углекислый газ используется в качестве рабочего тела, превращаясь в итоге в жидкость, подлежащую захоронению. В основе такой ТЭС могут лежать следующие процессы:

    • газификация водоугольной суспензии с добавкой водорода и получением СН 4 и Н 2 О. Зола угля выводится из газификатора, а парогазовая смесь очищается;
    • углерод, перешедший в газообразное состояние, в форме СО 2 связывается оксидом кальция в риформере, куда подается также очищенная вода. Образующийся в нем водород используется в процессе гидрогазификации и подается после тонкой очистки в твердооксидный топливный элемент для выработки электроэнергии;
    • на третьем этапе образовавшийся в риформере СаСО 3 кальцинируется с использованием выделившегося в топливном элементе тепла и образованием СаО и концентрированной СО 2 , пригодной для дальнейшей обработки;
    • четвертым этапом является преобразование химической энергии водорода в электроэнергию и тепло, которое возвращается в цикл. СО 2 выводится из цикла и минерализуется в процессах карбонизации таких минералов, как,
    • например, силикат магния, распространенный повсеместно в природе в количествах, на порядки превышающих запасы угля. Конечные продукты карбонизации могут захораниваться в выработанных шахтах.

    К.п.д. преобразования угля в электроэнергию в такой системе составит около 70%. При полной стоимости удаления СО 2 , равной 15–20 дол. США за тонну, оно вызовет удорожание электроэнергии примерно на 0,01 дол. США/кВт·ч.

    Теплофизические проблемы в теплоэнергетике, требующие дальнейших исследований и разработок

    Быстрый рост потребностей в электроэнергии в XXI веке, кризисное состояние окружающей среды, технологические проблемы, которые надо решать для удовлетворения этих потребностей, исходя из современных критериев резкого повышения энергоэффективности, снижения затрат и минимизации влияния на окружающую среду, требуют существенного расширения научных исследований и разработок в теплоэнергетике. Научно-исследовательские, конструкторские и проектные работы в теплоэнергетике должны быть нацелены на создание высокоэффективных и экологически безопасных ТЭС с использованием прогрессивных технологий и энергетического оборудования, обеспечивающих решение следующих задач: повышение эффективности энергоснабжения путем увеличения его надежности и снижения затрат на производство электроэнергии; максимальное сокращение вредных выбросов ТЭС в окружающую среду; увеличение производительности и улучшение условий труда; снижение затрат на ремонтновосстановительные работы.

    Важными направлениями научно-технического прогресса в теплоэнергетике являются:

    • создание новых поколений энергооборудования;
    • реконструкция и модернизация действующего оборудования;
    • переход от концепции продления срока службы оборудования к концепции управления ресурсом на базе современных комбинированных методов и критериев с совместным учетом показателей его надежности и эффективности;
    • обеспечение необходимого уровня промышленной безопасности энергетического оборудования.
    • высокоэффективное производство электроэнергии и тепла на основе применения парогазовых и газотурбинных установок, техническое перевооружение и дальнейшее развитие тепловых электростанций для повышения их экономической и экологической эффективности, надежности, маневренности и управляемости;
    • разработка экологически чистых угольных технологий на основе применения котлов с циркулирующим кипящим слоем, использования водоугольных суспензий, различных схем газификации угля и т. п.;
    • создание эффективных газоочистных систем энергооборудования;
    • комплексная автоматизация оборудования блоков и электростанций;
    • решение научно-технических проблем, связанных с разработкой оборудования на суперкритические параметры пара, технологий получения дешевого оборудования для топливных элементов, систем аккумулирования электрической энергии;
    • создание небольших установок по комбинированному производству электрической энергии и тепла (когенерация) с использованием поршневых двигателей, газовых турбин (ТЭЦ малой и средней мощности, мини-ТЭЦ).

    Рост технического уровня теплоэнергетики, освоение сверхкритических и суперсверхкритических параметров пара, увеличение единичных мощностей агрегатов и энергоблоков сопроводжаются повышением расчетных плотностей тепловых потоков, воспринимаемых как радиационными, так и конвективными поверхностями нагрева, и обуславливают необходимость интенсификации топочных процессов, а также процессов генерации и перегрева пара. Необходимо интенсифицировать теплоотдачу с тем, чтобы при росте единичной мощности установок сохранялись приемлемые массогабаритные характеристики оборудования. Поэтому по-прежнему актуальны вопросы исследования радиационного теплообмена в топках и излучения газов, интенсификации конвективного теплообмена в пучках труб, а также теплового состояния поверхностей нагрева в условиях шлакования и интенсивного заноса отложениями золы, работы по теплоотдаче при кипении воды в трубах, исследования теплообмена теплоносителя сверхкритических параметров, критических тепловых потоков.

    В настоящее время возрастает роль высокотемпературных газотурбинных и парогазовых установок в энергетике. Поэтому остаются актуальными разработка систем охлаждения газовых турбин, исследования турбулентного теплообмена в турбинных решетках и на пластине, включая теплообмен в условиях вдува охладителя, а также исследования различных систем охлаждения, применение водяного пара как перспективного охладителя, оптимизация схем охлаждения.

    Стратегические направления развития отечественной теплоэнергетики связаны с решением целого комплекса задач, в том числе и в области энергомашиностроения. К ним относятся:

    • создание отечественных высокоэффективных газотурбинных установок мощностью до 180 МВт на высокие начальные температуры газа с целью широкого внедрения парогазовых технологий при строительстве новых и реконструкции действующих электростанций;
    • разработка и производство высокоэффективных паротурбинных установок новых поколений на суперсверхкритическе параметры пара и на температуры 600°С и выше с увеличением к.п.д. до 55% и более;
    • производство энергетических котлов с усовершенствованной организацией топочных процессов, применением новых горелочных и других устройств, обеспечивающих снижение вредных выбросов в атмосферу;
    • создание и освоение котельных агрегатов с топками с циркулирующим кипящим слоем для энергоблоков мощностью 200–300 МВт;
    • создание оборудования для экологически чистых парогазовых установок с котлами с кипящим слоем под давлением;
    • разработка и освоение передовых технологий сжигания твердого топлива;
    • создание систем газификации твердого топлива с целью развития экологически чистых парогазовых установок на угле и для технического перевооружения пылеугольных электростанций.


    Читать еще: