Диспетчерская
Клиентам
Новости
5 октября 2009
Большинство экспертов полагают, что промышленное ядро энергетики по-прежнему будет сконцентрировано вокруг тех же основных технологических платформ, что и сегодня, то есть на технологиях тепловой, атомной и большой гидравлической энергетики, а уж затем только на распределенных ресурсах возобновляемых видов энергии: «малой» воды, ветра, солнца, геотермальных источников, всяких биомасс и биотоплив. Мало того, что бы ни говорили экологи и политики, роль органики, скорее всего, еще больше возрастет — и прежде всего как раз за счет увеличения объемов использования самого «грязного» топлива, а именно угля. Причем импульс этому росту даст дальнейшее развитие газотурбинных и парогазовых технологий, которые до последнего времени считались технологическими оппонентами угольным паросиловым блокам, особенно в суперсверхкритике. Так что нас все же ждут интересные изменения в области тепловых электроэнергетических технологий. Произойдут перемены и с электрическими магистральными и распределительными сетями — они станут умнее и гибче, обретут обратную связь с потребителем и с небольшими источниками генерации, такими, к примеру, как солнечные и ветровые станции, давая им работать в различных режимах без рисков для самой сети. Случится это в результате развития систем FACTS и Smart Grid.
От бридера до термояда
«Энергетика, — говорит директор Института теплофизики экстремальных состояний РАН, академик-секретарь отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН Владимир Фортов, — очень инерционная область. Все новое здесь внедряется медленно. Поэтому еще долго лидерами будут оставаться традиционные источники энергии. Так что человеку надо планировать свое будущее на ближайшие десятилетия исходя прежде всего из этого, но имея в виду, конечно, и принципиально новые источники энергии». Такие, к примеру, как термоядерные.
Этот вид энергии как раз и должен служить, по мнению академика Фортова, источником оптимизма во всемирном масштабе для тех, кто считает, что с развитием человечества, ростом его энерговооруженности мы придем к кризису, связанному с двумя вещами: исчерпанием природных топливных ресурсов и экологическими последствиями их использования. «Так вот, сегодня, — говорит академик, — можно утверждать, что этого с человечеством в обозримой перспективе не произойдет. Потому что существует термоядерный синтез, и его возможность была продемонстрирована еще 50 лет назад, правда в оружии». Работа в этой области уже в недалекое время должна подвести-таки ученых к положительному результату — получению термоядерной электроэнергии на выходе в больших количествах, чем затрачивается ее на розжиг самого термоядерного процесса. То есть принципиально, по мнению Фортова, проблема почти решена. В течение нескольких месяцев мы уже увидим результаты у тех ученых, которые работают с лазерным термоядом на установке NIF в США (подробнее об этом см. «Под лазерным прицелом» , «Эксперт» № 22 за 2009 год). Строится ИТЭР, следующим станет демонстрационный реактор DЕМО. Потом это будет уже промышленная установка.
Но в любом случае в ближайшие 50 лет строить термоядерные станции в коммерческих масштабах не начнут. «Вопрос в стоимости, — поясняет академик Фортов. — Когда-то академика Льва Арцимовича, нашего лидера термальных программ, спросили, когда будет термояд. Он ответил очень остроумно: тогда, когда это нужно будет человечеству. По мере истощения ресурсов цена на электроэнергию и вообще на энергию будет расти и наконец выйдет на такой уровень, когда станет выгодно строить термоядерные станции. Ведь, как говорил академик Михаил Старикович, энергетика — это физика плюс экономика». Пока же, по словам Владимира Фортова, извлечено всего 20% запасов нефти и немногим более 10% газа: «И до 2020 года, как и сейчас, в энергобалансе мира доля угля, нефти, газа останется на уровне 80 процентов. Запасов по нынешней цене действительно хватит лет на тридцать. Но затем человек примется за месторождения, в которых лежит более дорогое сырье. То же самое относится в большинстве своем и к альтернативным источникам энергии. Технологий создано множество, но все они проигрывают в цене углеводородному топливу, и до долей, которые занимают углеводороды в энергетике, им пока далеко. Реальная альтернатива углеводородам, если говорить о промышленной энергетике, сейчас одна — атомная энергия. Пока ее доля остается в пределах 15 процентов (в мире около 11 процентов. — «Эксперт»), но, по разным оценкам, в энергобалансе мира к концу этого века может составить 20–40 процентов».
В России, по мнению академика, в преддверии развития термоядерных технологий будут внедряться атомные технологии с так называемым замкнутым топливным циклом, с воспроизводством ядерного горючего — на реакторах, работающих на быстрых нейтронах. Так называемые бридерные установки. Реактор такого типа БН-600 отработал на Урале уже почти три десятилетия, в 2013–2014 году около него должны пустить БН-800, на котором и должны отработать серийный бридер. На Западе к идее реактора, на котором можно произвести не только дефицитное топливо, но и начинку для ядерного оружия, относятся значительно прохладнее, и реакторы на быстрых нейтронах останутся, скорее всего, нашим внутренним достижением.
Судьба традиционных водо-водяных реакторов (ВВЭР) на тепловых нейтронах предрешена. По словам председателя российского правительства Владимира Путина, перед атомной отраслью ставятся «амбициозные, но реалистичные задачи» увеличить долю атомной генерации в общем объеме производства электроэнергии с сегодняшних 16 до 25–30%. Для этого предполагается до 2030 года ввести 26 атомных блоков. Почетный директор Института высоких температур РАН академик Александр Шейндлин, напротив, полагает, что строительство новых крупных ядерных электростанций с реакторами на тепловых нейтронах нужно ограничить, а внимание сосредоточить на создании реакторов на быстрых нейтронах, рассматривая это направление ядерной энергетики как наиболее перспективное. Что же касается ВВЭР, то Александр Шейндлин уверен в необходимости исследований перспективного ядерного топлива на основе нитрида урана, которое предпочтительнее используемого сейчас ядерного топлива на основе диоксида урана: «Нитрид урана и другие нитридные соединения обладают большей, чем диоксид урана, теплопроводностью, и это существенно благоприятнее повлияет на работу твэлов и всю активную зону реактора». А значит, позволит увеличить мощность и КПД реактора без серьезных конструктивных изменений.
Оптимистично в отношении будущего ядерной энергетики и Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ). Согласно обнародованному на днях прогнозу, в 2030 году в мире будут работать АЭС с суммарной мощностью в 510 ГВт. Это на 40% больше, чем сейчас (в мире работает 440 атомных энергоблоков с установленной мощностью 370 ГВт). Согласно же прогнозу-максимуму суммарная мощность ядерной энергетики мира может достигнуть даже и 810 ГВт. Непонятно, на чем зиждется такой оптимизм международных атомных чиновников. Дело в том, что к тридцатому году должны быть закрыты как минимум две трети из уже имеющихся энергоблоков, многие из которых и так уже работают с послересурсным продлением (например, почти все блоки в США, а их более сотни). Да и последнее пятилетие явно не намекало на готовность ни правительств (кроме отдельных стран), ни бизнеса, ожидающего решений своих задумчивых политиков, на какие-то явные подвижки в этой области. Кроме того, едва ли к такому трудовому подвигу готова индустрия спецметаллургии, которая в кризис и так умудряется работать на пределе своих возможностей. После более чем двадцатилетнего простоя, начавшегося с чернобыльской катастрофы, по сути, не существует и налаженного мирового атомного энергомашиностроительного и инжинирингового комплексов, готовых вводить по 20–30 ядерных энергоблоков ежегодно.
Мир катится к умным сетям
Альтернативная — возобновляемая — энергетика движется просто впечатляющим темпом. Так, только за три года, с 2006−го по 2009−й, установленная мощность ветровых станций увеличилась с 74 до 120 ГВт, а совокупная мощность солнечных станций скакнула за это время с 5 до 12 ГВт, причем только за прошлый год было введено более 5 ГВт солнечных мощностей на 33,3 млрд долларов. Конечно, это мизер по сравнению с примерно 3000 ГВт тепловых мощностей, установленных повсеместно в мире, но уже вполне сопоставимо с установленной мощностью атомной энергетики (370 ГВт). Развитие возобновляемой энергетики хорошо согласуется и с положительно оцениваемой европейцами концепцией распределенных энергетических ресурсов, когда множество потребителей, производя тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, направляют излишки в общую сеть. За счет гигантских инвестиций, получаемых прежде всего благодаря государственным механизмам и преференциям в этой области, европейцы планируют довести долю альтернативной энергетики до 20% (в России — 4,5%). Европейцы столкнутся на этом пути с серьезными трудностями. Прежде всего потому, что основной рост должен прийтись на солнечную и ветровую энергетику — то есть нестабильные источники электроэнергии. Известно, что если доля таких источников превышает 10–12% от всей установленной мощности в энергосистеме, то необходимо строить резервные стабильные мощности в объеме примерно 15% от установленной мощности нестабильных. Это означает десятки гигаватт новых ТЭС или АЭС.
Кроме того, свои ограничения на подключение нестабильных электростанций накладывают сети. Правда, исполнительный директор GE Energy в России Руслан Пахомов считает, что «технологии интеллектуальных энергосистем (Smart Grid) позволят с высокой эффективностью использовать возобновляемую энергию и подготовить энергосети к интенсивной эксплуатации в условиях распределенной энергетики. Интеллектуальные технологии обеспечат лучшую адаптацию энергосетей к пульсирующему, динамичному характеру распределенной генерации с участием нестабильных источников энергии. Разнонаправленное распределение потоков (не предусмотренное ранее устроителями существующих сетей), современные методы управления генерацией и технологии автоматизированного управления работой сети и упреждающего планирования потребления разрешат эффективно и безопасно применять в распределительных сетях альтернативные источники энергии и помогут справиться с пульсирующим характером генерации возобновляемой энергии». Отметим, что администрация Барака Обамы недавно выделила на проекты, связанные со Smart Grid, 3,9 млрд долларов. Ведется интенсивная работа и над техническими стандартами, и комплекс из 16 таких стандартов уже принят Белым домом.
Развитие мощной сетевой инфраструктуры в долгосрочной перспективе в основном будет связано с внедрением технологий сверхпроводимости и особенно технологий автоматизации и управления сетью гибких передающих систем переменного тока — Flexible AC Transmission System (FACTS). Кроме того, более широкое применение получит передача электроэнергии по линиям постоянного тока за счет удешевления производства преобразовательных комплексов.
Но никакие умные сети не дадут возможности в глобальном масштабе занять альтернативным и возобновляемым видам энергии более 15–20%, утверждает Александр Шейндлин. Он напомнил о расчетах академика Петра Капицы, сделанных им еще в 1975 году. Тогда, оценивая возможности ветровой, солнечной, геотермальной, волновой энергетики, Капица называл эти источники «перспективными на взгляд дилетанта» и доказывал, что из-за низкой плотности энергии, то есть ее количества в единице объема и низкой скорости ее передачи, они никогда не смогут составить серьезную конкуренцию ископаемому топливу.
Угольная пауза
Главным же в прямом смысле слова ископаемым топливом в ближайшем будущем становится уголь (особенно в условиях быстрого роста цен на природный газ). Можно стенать по поводу «безуглеродной», «чистой» энергетики, можно пропагандировать различные технологии улавливания и складирования диоксида углерода (известные как CCS), будто бы позволяющие сократить последствия процесса изменения климата за счет улавливания и складирования CO2 в геологических формациях и обеспечить от 15 до 55% от общего объема сокращения выбросов, но работа, ведущаяся в недрах транснациональных корпораций, указывает: ставка делается именно на уголь.
Другое дело, что речь уже не идет о прямом сжигании угля в котлах. Скорее всего, в ближайшие два десятка лет чудовищной дороговизны паросиловые угольные блоки на суперсверхкритические параметры пара (600 °C при давлении 300 атмосфер), требующие дорогостоящих сплавов и специальных металлургических технологий, строиться больше не будут. Что, безусловно, не отменяет необходимости продолжения исследовательских работ в этой области, в том числе и в России. Такие энергоблоки заменят парогазовые установки и так называемые гибридные электростанции на основе топливных элементов и газовых турбин. Какая тут логика?
В современных угольных паросиловых блоках, работающих на суперсверхкритике (Дания, Япония), уже достигнут КПД, равный 47–48%. Конечно, можно со временем довести этот показатель до 53–55% за счет значительного увеличения давления и температуры пара и многомиллиардных затрат. Такая цель, кстати, продолжает присутствовать в некоторых форсайтных государственных программах США, Японии и Евросоюза, рассчитанных до 2030–2050 годов. Но уже сейчас есть установки, которые работают с такой же эффективностью. Это парогазовые установки, строительство которых к тому же, в пересчете на установленный киловатт, в 4–5 раз дешевле, чем возведение суперсверхкритических блоков. Газ же (точнее, синтез-газ) для них можно получить, и уже получают, с достаточной эффективностью за счет газификации угля. Этой технологии уже пара сотен лет. По словам Владимира Фортова, «Германия всю Вторую мировую войну воевала на синтетическом топливе, полученном из угля. Как мы знаем, совсем неплохо воевала». Кстати, и советские автомобили на Ленинградском фронте из-за отсутствия другого топлива во время войны тоже работали на продуктах газификации обычных дров, а в СССР до газовой паузы существовала гигантская программа по газификации, по несчастию заброшенная.
Сейчас проблема — в эффективном сжигании продуктов газификации в камерах сгорания газовых турбин. Дело в том, что, по словам заместителя главного конструктора газовых турбин «Силовых машин» Николая Симина, теплоемкость получаемого за счет газификации синтез-газа, состоящего на 5–8% процентов из водорода, небольшой доли метана (1%), большей части СО (около 25–30%), а также водяного пара и азота, составляет всего около 10 тыс. джоулей на килограмм, у природного газа же она в 5 раз выше. Сейчас идет активная исследовательская работа, как сделать сжигание такого низкокалорийного топлива более эффективным. Для этих целей в июне этого года General Electric, несмотря на кризис, на базе своего газотурбинного предприятия во французском Белфоре открыл специальный исследовательский центр, работающий с технологиями сжигания в камерах сгорания для газовых турбин. Сейчас уже выпускается несколько энергоблоков мощностью до 200 МВт (например, газовая турбина мощностью 160 МВт итальянской компании Ansaldo — лицензиата Siemens), работающих в бинарном цикле с КПД до 54%.
Другая фишка исследовательских центров мира — гибридные станции на основе топливных элементов и газовых турбин (пока это больше экспериментальные блоки небольшой мощности). Топливный элемент (ТЭ) — это прямой преобразователь химической энергии в электрическую. Благодаря прямому преобразованию ТЭ теоретически может иметь высокий (так как не связан с тепловыми процессами, а значит, термодинамическим циклом Карно) КПД — свыше 80%. Но скорость распределения энергии невысока, и, по расчетам Капицы, получается, что топливные элементы не могут быть мощными источниками энергии. Но можно в одном из видов ТЭ — твердооксидных ТЭ (ТОТЭ), работающих при температуре 750–1000 °C, в качестве топлива использовать синтез-газ с эффективностью примерно 45–50%. А не среагировавшие в ТЭ остатки газа сбросить в камеру сгорания газовой турбины и сжечь, отдельно добавляя новые порции синтетического газа и получая в результате работы уже газовой турбины еще 20–25% КПД. К 2012 году, утверждает Николай Симин, американцы получат на уже рабочей машине КПД в 60%.
Ирик Имамутдинов, специальный корреспондент журнала «Эксперт»
Журнал "Эксперт", 28.09.2009
05 октября 2009 г.
Шаг за шагом к намеченной цели
Энергетика — одна из самых консервативных областей деятельности человечества. Пока горячие головы ждут управляемого термоядерного синтеза и солнечных батарей с высоким КПД, энергетики занимаются углем и оптимизируют сетиБольшинство экспертов полагают, что промышленное ядро энергетики по-прежнему будет сконцентрировано вокруг тех же основных технологических платформ, что и сегодня, то есть на технологиях тепловой, атомной и большой гидравлической энергетики, а уж затем только на распределенных ресурсах возобновляемых видов энергии: «малой» воды, ветра, солнца, геотермальных источников, всяких биомасс и биотоплив. Мало того, что бы ни говорили экологи и политики, роль органики, скорее всего, еще больше возрастет — и прежде всего как раз за счет увеличения объемов использования самого «грязного» топлива, а именно угля. Причем импульс этому росту даст дальнейшее развитие газотурбинных и парогазовых технологий, которые до последнего времени считались технологическими оппонентами угольным паросиловым блокам, особенно в суперсверхкритике. Так что нас все же ждут интересные изменения в области тепловых электроэнергетических технологий. Произойдут перемены и с электрическими магистральными и распределительными сетями — они станут умнее и гибче, обретут обратную связь с потребителем и с небольшими источниками генерации, такими, к примеру, как солнечные и ветровые станции, давая им работать в различных режимах без рисков для самой сети. Случится это в результате развития систем FACTS и Smart Grid.
От бридера до термояда
«Энергетика, — говорит директор Института теплофизики экстремальных состояний РАН, академик-секретарь отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН Владимир Фортов, — очень инерционная область. Все новое здесь внедряется медленно. Поэтому еще долго лидерами будут оставаться традиционные источники энергии. Так что человеку надо планировать свое будущее на ближайшие десятилетия исходя прежде всего из этого, но имея в виду, конечно, и принципиально новые источники энергии». Такие, к примеру, как термоядерные.
Этот вид энергии как раз и должен служить, по мнению академика Фортова, источником оптимизма во всемирном масштабе для тех, кто считает, что с развитием человечества, ростом его энерговооруженности мы придем к кризису, связанному с двумя вещами: исчерпанием природных топливных ресурсов и экологическими последствиями их использования. «Так вот, сегодня, — говорит академик, — можно утверждать, что этого с человечеством в обозримой перспективе не произойдет. Потому что существует термоядерный синтез, и его возможность была продемонстрирована еще 50 лет назад, правда в оружии». Работа в этой области уже в недалекое время должна подвести-таки ученых к положительному результату — получению термоядерной электроэнергии на выходе в больших количествах, чем затрачивается ее на розжиг самого термоядерного процесса. То есть принципиально, по мнению Фортова, проблема почти решена. В течение нескольких месяцев мы уже увидим результаты у тех ученых, которые работают с лазерным термоядом на установке NIF в США (подробнее об этом см. «Под лазерным прицелом» , «Эксперт» № 22 за 2009 год). Строится ИТЭР, следующим станет демонстрационный реактор DЕМО. Потом это будет уже промышленная установка.
Но в любом случае в ближайшие 50 лет строить термоядерные станции в коммерческих масштабах не начнут. «Вопрос в стоимости, — поясняет академик Фортов. — Когда-то академика Льва Арцимовича, нашего лидера термальных программ, спросили, когда будет термояд. Он ответил очень остроумно: тогда, когда это нужно будет человечеству. По мере истощения ресурсов цена на электроэнергию и вообще на энергию будет расти и наконец выйдет на такой уровень, когда станет выгодно строить термоядерные станции. Ведь, как говорил академик Михаил Старикович, энергетика — это физика плюс экономика». Пока же, по словам Владимира Фортова, извлечено всего 20% запасов нефти и немногим более 10% газа: «И до 2020 года, как и сейчас, в энергобалансе мира доля угля, нефти, газа останется на уровне 80 процентов. Запасов по нынешней цене действительно хватит лет на тридцать. Но затем человек примется за месторождения, в которых лежит более дорогое сырье. То же самое относится в большинстве своем и к альтернативным источникам энергии. Технологий создано множество, но все они проигрывают в цене углеводородному топливу, и до долей, которые занимают углеводороды в энергетике, им пока далеко. Реальная альтернатива углеводородам, если говорить о промышленной энергетике, сейчас одна — атомная энергия. Пока ее доля остается в пределах 15 процентов (в мире около 11 процентов. — «Эксперт»), но, по разным оценкам, в энергобалансе мира к концу этого века может составить 20–40 процентов».
В России, по мнению академика, в преддверии развития термоядерных технологий будут внедряться атомные технологии с так называемым замкнутым топливным циклом, с воспроизводством ядерного горючего — на реакторах, работающих на быстрых нейтронах. Так называемые бридерные установки. Реактор такого типа БН-600 отработал на Урале уже почти три десятилетия, в 2013–2014 году около него должны пустить БН-800, на котором и должны отработать серийный бридер. На Западе к идее реактора, на котором можно произвести не только дефицитное топливо, но и начинку для ядерного оружия, относятся значительно прохладнее, и реакторы на быстрых нейтронах останутся, скорее всего, нашим внутренним достижением.
Судьба традиционных водо-водяных реакторов (ВВЭР) на тепловых нейтронах предрешена. По словам председателя российского правительства Владимира Путина, перед атомной отраслью ставятся «амбициозные, но реалистичные задачи» увеличить долю атомной генерации в общем объеме производства электроэнергии с сегодняшних 16 до 25–30%. Для этого предполагается до 2030 года ввести 26 атомных блоков. Почетный директор Института высоких температур РАН академик Александр Шейндлин, напротив, полагает, что строительство новых крупных ядерных электростанций с реакторами на тепловых нейтронах нужно ограничить, а внимание сосредоточить на создании реакторов на быстрых нейтронах, рассматривая это направление ядерной энергетики как наиболее перспективное. Что же касается ВВЭР, то Александр Шейндлин уверен в необходимости исследований перспективного ядерного топлива на основе нитрида урана, которое предпочтительнее используемого сейчас ядерного топлива на основе диоксида урана: «Нитрид урана и другие нитридные соединения обладают большей, чем диоксид урана, теплопроводностью, и это существенно благоприятнее повлияет на работу твэлов и всю активную зону реактора». А значит, позволит увеличить мощность и КПД реактора без серьезных конструктивных изменений.
Оптимистично в отношении будущего ядерной энергетики и Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ). Согласно обнародованному на днях прогнозу, в 2030 году в мире будут работать АЭС с суммарной мощностью в 510 ГВт. Это на 40% больше, чем сейчас (в мире работает 440 атомных энергоблоков с установленной мощностью 370 ГВт). Согласно же прогнозу-максимуму суммарная мощность ядерной энергетики мира может достигнуть даже и 810 ГВт. Непонятно, на чем зиждется такой оптимизм международных атомных чиновников. Дело в том, что к тридцатому году должны быть закрыты как минимум две трети из уже имеющихся энергоблоков, многие из которых и так уже работают с послересурсным продлением (например, почти все блоки в США, а их более сотни). Да и последнее пятилетие явно не намекало на готовность ни правительств (кроме отдельных стран), ни бизнеса, ожидающего решений своих задумчивых политиков, на какие-то явные подвижки в этой области. Кроме того, едва ли к такому трудовому подвигу готова индустрия спецметаллургии, которая в кризис и так умудряется работать на пределе своих возможностей. После более чем двадцатилетнего простоя, начавшегося с чернобыльской катастрофы, по сути, не существует и налаженного мирового атомного энергомашиностроительного и инжинирингового комплексов, готовых вводить по 20–30 ядерных энергоблоков ежегодно.
Мир катится к умным сетям
Альтернативная — возобновляемая — энергетика движется просто впечатляющим темпом. Так, только за три года, с 2006−го по 2009−й, установленная мощность ветровых станций увеличилась с 74 до 120 ГВт, а совокупная мощность солнечных станций скакнула за это время с 5 до 12 ГВт, причем только за прошлый год было введено более 5 ГВт солнечных мощностей на 33,3 млрд долларов. Конечно, это мизер по сравнению с примерно 3000 ГВт тепловых мощностей, установленных повсеместно в мире, но уже вполне сопоставимо с установленной мощностью атомной энергетики (370 ГВт). Развитие возобновляемой энергетики хорошо согласуется и с положительно оцениваемой европейцами концепцией распределенных энергетических ресурсов, когда множество потребителей, производя тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, направляют излишки в общую сеть. За счет гигантских инвестиций, получаемых прежде всего благодаря государственным механизмам и преференциям в этой области, европейцы планируют довести долю альтернативной энергетики до 20% (в России — 4,5%). Европейцы столкнутся на этом пути с серьезными трудностями. Прежде всего потому, что основной рост должен прийтись на солнечную и ветровую энергетику — то есть нестабильные источники электроэнергии. Известно, что если доля таких источников превышает 10–12% от всей установленной мощности в энергосистеме, то необходимо строить резервные стабильные мощности в объеме примерно 15% от установленной мощности нестабильных. Это означает десятки гигаватт новых ТЭС или АЭС.
Кроме того, свои ограничения на подключение нестабильных электростанций накладывают сети. Правда, исполнительный директор GE Energy в России Руслан Пахомов считает, что «технологии интеллектуальных энергосистем (Smart Grid) позволят с высокой эффективностью использовать возобновляемую энергию и подготовить энергосети к интенсивной эксплуатации в условиях распределенной энергетики. Интеллектуальные технологии обеспечат лучшую адаптацию энергосетей к пульсирующему, динамичному характеру распределенной генерации с участием нестабильных источников энергии. Разнонаправленное распределение потоков (не предусмотренное ранее устроителями существующих сетей), современные методы управления генерацией и технологии автоматизированного управления работой сети и упреждающего планирования потребления разрешат эффективно и безопасно применять в распределительных сетях альтернативные источники энергии и помогут справиться с пульсирующим характером генерации возобновляемой энергии». Отметим, что администрация Барака Обамы недавно выделила на проекты, связанные со Smart Grid, 3,9 млрд долларов. Ведется интенсивная работа и над техническими стандартами, и комплекс из 16 таких стандартов уже принят Белым домом.
Развитие мощной сетевой инфраструктуры в долгосрочной перспективе в основном будет связано с внедрением технологий сверхпроводимости и особенно технологий автоматизации и управления сетью гибких передающих систем переменного тока — Flexible AC Transmission System (FACTS). Кроме того, более широкое применение получит передача электроэнергии по линиям постоянного тока за счет удешевления производства преобразовательных комплексов.
Но никакие умные сети не дадут возможности в глобальном масштабе занять альтернативным и возобновляемым видам энергии более 15–20%, утверждает Александр Шейндлин. Он напомнил о расчетах академика Петра Капицы, сделанных им еще в 1975 году. Тогда, оценивая возможности ветровой, солнечной, геотермальной, волновой энергетики, Капица называл эти источники «перспективными на взгляд дилетанта» и доказывал, что из-за низкой плотности энергии, то есть ее количества в единице объема и низкой скорости ее передачи, они никогда не смогут составить серьезную конкуренцию ископаемому топливу.
Угольная пауза
Главным же в прямом смысле слова ископаемым топливом в ближайшем будущем становится уголь (особенно в условиях быстрого роста цен на природный газ). Можно стенать по поводу «безуглеродной», «чистой» энергетики, можно пропагандировать различные технологии улавливания и складирования диоксида углерода (известные как CCS), будто бы позволяющие сократить последствия процесса изменения климата за счет улавливания и складирования CO2 в геологических формациях и обеспечить от 15 до 55% от общего объема сокращения выбросов, но работа, ведущаяся в недрах транснациональных корпораций, указывает: ставка делается именно на уголь.
Другое дело, что речь уже не идет о прямом сжигании угля в котлах. Скорее всего, в ближайшие два десятка лет чудовищной дороговизны паросиловые угольные блоки на суперсверхкритические параметры пара (600 °C при давлении 300 атмосфер), требующие дорогостоящих сплавов и специальных металлургических технологий, строиться больше не будут. Что, безусловно, не отменяет необходимости продолжения исследовательских работ в этой области, в том числе и в России. Такие энергоблоки заменят парогазовые установки и так называемые гибридные электростанции на основе топливных элементов и газовых турбин. Какая тут логика?
В современных угольных паросиловых блоках, работающих на суперсверхкритике (Дания, Япония), уже достигнут КПД, равный 47–48%. Конечно, можно со временем довести этот показатель до 53–55% за счет значительного увеличения давления и температуры пара и многомиллиардных затрат. Такая цель, кстати, продолжает присутствовать в некоторых форсайтных государственных программах США, Японии и Евросоюза, рассчитанных до 2030–2050 годов. Но уже сейчас есть установки, которые работают с такой же эффективностью. Это парогазовые установки, строительство которых к тому же, в пересчете на установленный киловатт, в 4–5 раз дешевле, чем возведение суперсверхкритических блоков. Газ же (точнее, синтез-газ) для них можно получить, и уже получают, с достаточной эффективностью за счет газификации угля. Этой технологии уже пара сотен лет. По словам Владимира Фортова, «Германия всю Вторую мировую войну воевала на синтетическом топливе, полученном из угля. Как мы знаем, совсем неплохо воевала». Кстати, и советские автомобили на Ленинградском фронте из-за отсутствия другого топлива во время войны тоже работали на продуктах газификации обычных дров, а в СССР до газовой паузы существовала гигантская программа по газификации, по несчастию заброшенная.
Сейчас проблема — в эффективном сжигании продуктов газификации в камерах сгорания газовых турбин. Дело в том, что, по словам заместителя главного конструктора газовых турбин «Силовых машин» Николая Симина, теплоемкость получаемого за счет газификации синтез-газа, состоящего на 5–8% процентов из водорода, небольшой доли метана (1%), большей части СО (около 25–30%), а также водяного пара и азота, составляет всего около 10 тыс. джоулей на килограмм, у природного газа же она в 5 раз выше. Сейчас идет активная исследовательская работа, как сделать сжигание такого низкокалорийного топлива более эффективным. Для этих целей в июне этого года General Electric, несмотря на кризис, на базе своего газотурбинного предприятия во французском Белфоре открыл специальный исследовательский центр, работающий с технологиями сжигания в камерах сгорания для газовых турбин. Сейчас уже выпускается несколько энергоблоков мощностью до 200 МВт (например, газовая турбина мощностью 160 МВт итальянской компании Ansaldo — лицензиата Siemens), работающих в бинарном цикле с КПД до 54%.
Другая фишка исследовательских центров мира — гибридные станции на основе топливных элементов и газовых турбин (пока это больше экспериментальные блоки небольшой мощности). Топливный элемент (ТЭ) — это прямой преобразователь химической энергии в электрическую. Благодаря прямому преобразованию ТЭ теоретически может иметь высокий (так как не связан с тепловыми процессами, а значит, термодинамическим циклом Карно) КПД — свыше 80%. Но скорость распределения энергии невысока, и, по расчетам Капицы, получается, что топливные элементы не могут быть мощными источниками энергии. Но можно в одном из видов ТЭ — твердооксидных ТЭ (ТОТЭ), работающих при температуре 750–1000 °C, в качестве топлива использовать синтез-газ с эффективностью примерно 45–50%. А не среагировавшие в ТЭ остатки газа сбросить в камеру сгорания газовой турбины и сжечь, отдельно добавляя новые порции синтетического газа и получая в результате работы уже газовой турбины еще 20–25% КПД. К 2012 году, утверждает Николай Симин, американцы получат на уже рабочей машине КПД в 60%.
Ирик Имамутдинов, специальный корреспондент журнала «Эксперт»
Журнал "Эксперт", 28.09.2009
05 октября 2009 г.