Отечественная энергетика - прошлое и будущее
До последнего времени отечественная электроэнергетика была одной из лучших в мире. Основанием для такого заключения служит созданная на основе достижений науки вполне современная технологическая база, позволявшая российскому энергетическому машиностро ению полностью обеспечить потребности электроэнергетики. Кроме того, важной ее положительной стороной стало создание уникальной Единой энергетической системы - ЕЭС России (см. "Наука и жизнь" №№ 9, 10, 2002 г. - Прим. ред.).
Начало ее создания относится ко второй половине 50-х годов прошлого века, когда были пущены уникальные для того времени гидроэлектростанции - Куйбышевская, а затем Сталинградская (теперь Волжская ГЭС им. В. И. Ленина и Волжская ГЭС в городе Волжском соответственно). Тогда же были построены протяженные линии электропередачи напряжением 500 кВ, соединившие Московскую, Куйбышевскую (Самарскую) энергосистемы и энергосистемы Урала.
ЕЭС России - одна из самых надежных энергосистем в мире. За все годы ее существования не было крупных аварий, подобных тем, которые систематически происходят в США, Великобритании, Италии и других странах. Высокая живучесть ЕЭС России, то есть способность противостоять развитию нарушений, возникающих в отдельных ее частях, стала следствием высокой степени ее организации и эффективности противоаварийной автоматики. Благодаря параллель ной работе электростанций, расположенных в разных часовых поясах, потребность в их мощности снижена на 8 млн кВт. Протяженность электрических сетей всех напряжений в ЕЭС России составляет свыше 2,5 млн км, в том числе напряжением 220-1150 кВт - более 150 тыс. км.
Потребность России в электроэнергии удовлетворяют электростанции, суммарной мощностью превышающие 215 млн кВт. Свыше 20% составляют ГЭС, более 10% - АЭС и почти 70% - тепловые электростанции (ТЭС), работающие в основном на природном газе (63%) и твердом топливе (28%). В структуре отечественной энергетики значительное место занимают ТЭС на сверхкритические параметры пара с энергоблоками мощностью 250, 300, 500, 800 и 1200 мВт.
Необходимое количество энергии определяется потребностью экономики, включая и социальную ее составляющую. В настоящее время эти потребности по секторам экономики распределяются примерно следующим образом:
промышленность - 33%;
коммунальный сектор - 37%;
транспорт - 19%;
сельское хозяйство - 3%;
нетопливные нужды - 8%.
Задача состоит в том, чтобы, используя меньшее количество энергии, получать более высокий результат. Есть несколько путей ее решения: повышение эффективности использования первичных источников энергии, то есть увеличение КПД преобразования энергии; снижение прямых потерь на всех этапах; переход на менее энергоемкие технологии; использование более эффективного оборудования при потреблении энергии.
Следует, однако, заметить, что в настоящее время положение дел в энергетике изменилось, и в основном не в лучшую сторону.
Рассмотрим ряд проблем, стоящих перед энергетикой.
Совершенствование основных технологий производства электроэнергии
Бурное развитие электроэнергетики в целом и теплоэнергетики в частности в 50-60-е и последующие годы прошлого века вывело российскую энергетику на передовые позиции в мире. Однако в последние годы обострился процесс физического и морального старения электростанций и сетей, которые сооружались по проектам полувековой давности и уже не соответствуют современным требованиям к энергоустановкам в области экологии, эффективности использования топлива, надежности и безопасности. Поэтому из всего спектра проблем, накопившихся в электроэнергетике, на первый план вышли задачи ее технического перевооружения. Единственный способ достижения этой цели - перейти на новый технологический уровень, обеспечивающий существенно более высокие показатели эффективности, лучшую защиту окружающей среды и большую надежность.
Лучшие отечественные паросиловые ТЭС, работающие на газе, имеют КПД, не превышающий 39%. КПД современных парогазовых установках достигает 55-60%. Их основу составляют газовые турбины большой мощности с КПД, приближающимся к 40%, и температурой газа на входе до 1500°С. На выходе газ охлаждается до температуры 600°С, достаточной для получения водяного пара высокого давления, поступающего в паровую турбину. Ежегодный ввод парогазовых установок в мире в последнее десятилетие составил около 85 млн кВт, а в текущем десятилетии составит 107 млн кВт, почти половину всех вводимых мощностей. В России из установок подобного класса введен в эксплуатацию лишь один энергоблок на Северо- западной ТЭЦ Ленэнерго. Этого явно недостаточно.
Применительно к угольной теплоэнергетике продвижение вперед означает также совершенствование и развитие термодинамических циклов на основе повышения давления и температуры пара. В теплоэнергетике России последовательно использовались низкие, высокие и сверхкрити ческие параметры пара вплоть до 240 атм и 545°С, которые были освоены в 60-х годах. Отечественная теплоэнергетика находилась тогда на мировом уровне в области новых разработок. В настоящее время у нас промышленного оборудования такого типа нет. То же можно сказать и о других технологиях, о применении угля, газа, полученного при его переработке, об использовании низкосортных видов топлива и т. д. Это отставание консервирует устаревшие технологии и в ближайшие годы может болезненно отразиться на экономике страны.
Исследования свойств веществ и процессов
Изучение свойств веществ, которые могут быть эффективно использованы в энергетике, - важная задача фундаментальной науки. Возьмем, например, углерод. Казалось бы, мы знаем о нем все. Однако это далеко не так. Нет полной ясности о характере плавления углерода, и даже величина температуры его плавления не уточнена. Если графит и алмаз хорошо изучены, то недавно синтезированные структуры углерода, фуллерены и карбин, исследованы недостаточно. А ведь соответствующей обработкой углерода получают еще и так называемые нанотрубки (см. "Наука и жизнь" № 11, 1993 г. - Прим. ред.). Их можно применять, например, для эффективной сорбции водорода, решив проблему его хранения для последующего использования в топливных элементах.
Другой пример относится к весьма перспективному ядерному топливу на основе нитрида урана (сегодня в ядерной энергетике широко используется топливо на основе диоксида урана). Нитрид урана и другие нитридные соединения обладают большей теплопроводностью, и уже только это весьма благоприятно влияет на работу тепловыделяющих элементов (твэлов) и всю активную зону реактора. Однако если диоксид урана хорошо изучен, то этого нельзя сказать о его нитриде, который еще предстоит всесторонне исследовать, в том числе и с облучением в горячих камерах.
Наиболее эффективными теплоносителями для перспективных энергетических установок, и в первую очередь бридеров - реакторов на быстрых нейтронах , - служат жидкие металлы. Их уникально высокая теплопроводность определяет наилучшие характеристики как теплоносителя, а низкое давление насыщенного пара упрощает конструкцию оборудования и его эксплуатацию. Наиболее перспективны щелочные металлы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий), имеющие низкую температуру плавления и плотность, а также их двойные и тройные сплавы. Варьирование их компонентного состава позволяет, во-первых, регулировать свойства сплавов в зависимости от эксплуатационных требований, а во-вторых, максимально расширить рабочий температурный диапазон жидкой фазы как в сторону высоких, так и в сторону предельно низких температур.
Интерес представляет и применение многокомпонентных систем в качестве тепловых аккумуляторов: при переходе жидкости в твердую фазу выделяется большое количество тепла.
Из Li, Na, K, Mg/F, Cl, Br, SО4 удается создать 3- и 4-компонентные эвтектические системы, которые плавятся в интервале температур 500-600°С, наиболее интересном для использования в солнечных электростанциях. Все они имеют высокую теплоту плавления/затвердевания - на уровне 500 кДж/кг.
Сказанное здесь только иллюстрирует подход к проведению крайне необходимых для энергетической науки фундаментальных и прикладных исследований, без которых нельзя говорить о необходимом совершенствовании энергетики.
Проблемы эффективного использования органического топлива
Природный газ
Говоря об использовании природного газа, позволю себе высказать крамольную мысль: в нашей стране необходимо прекратить ориентироваться на использование природного газа как основного топлива в электроэнергетике. Речь должна идти не только о повышении эффективности его использования. Нужно разработать и осуществить государственную программу перехода, прежде всего, на уголь и другие сравнительно малоценные источники энергии - отходы от газонефтепереработки, сланцы, бытовые отходы, топливо из выработанных и малодебитных месторождений, попутные газы нефтедобычи и другие виды топлива.
Чрезмерная привлекательность природного газа для потребителей при убыточности поставок на внутренний рынок по действующим ценам создает растущую напряженность его баланса. А поскольку газ обеспечивает почти половину внутреннего потребления энергоресурсов (в европейской части - свыше двух третей), его дефицит означает прямую угрозу энергетической безопасности страны.
В 2000 году на ТЭС холдинга РАО "ЕЭС России" в целом по стране было использовано 243,2 млн т условного топлива, в том числе доля газа составила 64%, угля - 30% и мазута - 5%. Но уже в 2001 году доля газа возросла до 66%, а угля снизилась до 28,4%. В европейской же части вместе с Уралом доля природного газа в топливном балансе ТЭС превышает 80%. Такое положение с позиций энергетической безопасности и эффективности использования природного газа не может считаться нормальным и должно быть исправлено.
Вместе с тем весьма эффективным может оказаться более широкое применение природного газа, например, его пропан-бутановых фракций в автомобильных двигателях. Крайне важно для нашей страны освоить технологии сжижения природного газа, что, в частности, позволит решить ряд кардинальных вопросов его транспортировки.
Нефть
Жидкие углеводороды, полученные при переработке нефти, - бензин и дизельное топливо - используются, прежде всего, транспортом. Доля мазута, расходуемого на теплоэлектростанциях, к 2020-2025 годам упадет до 3-4% в связи с увеличением глубины переработки нефти. Технико-экономические обоснования объемов добычи и использования нефти, равно как природного газа, жизненно важны. Наша страна, по некоторым данным, обеспечена разведанными запасами нефти лишь немногим более чем на 20 лет при сегодняшнем уровне добычи, газа - на 90 лет, тогда как угля и урана нам хватит на многие века. Поэтому помимо интенсификации разведки месторождений нефти и газа следует обратить серьезное внимание на освоение малодебитных месторождений и разработку технологий нефтедобычи на уже выработанных месторождениях.
Уголь
Уголь, запасы которого у нас в стране исключительно велики, как уже отмечалось, должен быть основным видом органического топлива для крупной энергетики. Однако не имеющий аналогов в мире перекос цен на взаимозаменяемые энергоносители - газ, уголь и мазут - ориентирует потребителей именно на природный газ.
Следует отметить, что в последние 10-20 лет практически полностью прекращены фундаментальные исследования и технологические разработки по эффективному использованию угля, переработке его для получения синтетического жидкого и газообразного топлива, решения сопутствующих экологических проблем.
Нам представляется необходимым принять решительные меры для перевода тепловой электроэнергетики на уголь. В этом отношении кардинальным фактором является правильная инвестиционная политика, которая невозможна без радикального изменения политики ценовой. Речь идет не о ценах на нефть и нефтепродукты - они адекватны сложившимся правилам рынка и не о ценах на уголь - они выйдут на разумный уровень при развитии рыночных отношений. Ценовую политику нужно менять в естественных монополиях - газовой отрасли, дающей почти половину приходного топливно-энергетического баланса, в электроэнергетике и теплоснабжении, на которые приходится 60% его части.
Теплофикация
В Советском Союзе особенно успешно в широких масштабах развивалась теплофикация. Этому были свои причины. В конце 20-х - начале 30-х годов прошлого века по инициативе ряда отечественных энергетиков началось массовое строительство крупных теплоэлектростанций с комбинированной выработкой электроэнергии и тепла. Научно-техническое обоснование такого решения тогда было вполне оправданным. КПД тогдашних электростанций составлял порядка 25%, и огромные объемы тепла нужно было использовать. Теплофикация позволила весьма эффективно отапливать населенные пункты в районах размещения электростанций.
Естественно, что для передачи тепла от электростанции к потребителю - зданиям и сооружениям - требовалась разветвленная система подвода горячей воды. Теплофикационные трубопроводы, как правило, прокладывались под землей, нуждались в эффективной теплоизоляции, в резервировании, периодическом ремонте и замене. Все это в условиях тогдашней политической системы, жесткого планирования и централизации было осуществлено с большим размахом на территории всей страны и мировых аналогов не имело.
До настоящего времени более 72% всей тепловой энергии производится централизованными источниками мощностью более 20 Гкал/ч, в том числе почти 32% тепловой энергии вырабатывается на электростанциях.
Казалось бы, масштабную теплофикацию следует развивать и далее. Однако ее состояние сегодня и степень совершенства электроэнергетики, по нашему мнению, требуют иного подхода. Во всех системах централизованного теплоснабжения вырабатывается около 1,4 млрд Гкал в год, из них порядка 0,8 млрд Гкал в год - на теплоэлектростанциях. Протяженность трубопроводных систем составляет колоссальную величину - более 250 000 км. При этом, по некоторым оценкам, около 80% сетей требуют замены или капитального ремонта и не менее 15% их находятся в аварийном состоянии. На каждые 100 км тепловых сетей ежегодно регистрируется в среднем 70 повреждений. Потери тепла в сетях достигают 30%, а утечки горячей воды - более кубического километра в год.
С другой стороны, КПД тепловых электростанций с парогазовыми установками уже превышает 60%, что резко уменьшает выход тепла. Тем самым напрашивается необходимость пересмотреть установившиеся ранее взгляды на широкую теплофикацию, обсудить вопрос о прекращении строительства крупных теплоэлектроцентралей и широком внедрении малых электростанций, работающих по комбинированному циклу. При этом прекратится массовое строительство трудно ремонтируемых и практически незаменяемых (в крупных населенных пунктах) тепловых сетей, уменьшатся потери тепла, а иногда и электроэнергии. Такого рода малые электростанции требуют, естественно, подвода топлива, предпочтительно природного газа, что гораздо проще прокладки и эксплуатации протяженных тепловых сетей.
О ядерной энергетике
Сохранять и развивать ядерную энергетику безусловно следует. Вопрос лишь в том, в каких масштабах и в каких направлениях. В настоящее время ядерная энергетика в нашей стране дает всего лишь около 10% электроэнергии, служа тем не менее важной компонентой электроэнергетики.
Полагаю, однако, что масштаб строительства новых крупных ядерных электростанций должен быть ограничен. Эти ограничения касаются, прежде всего, атомных электростанций с реакторами на тепловых нейтронах. Нужно сосредоточить внимание на проблеме создания эффективных ядерных реакторов на быстрых нейтронах и рассматривать это направление как наиболее перспективное. В нашей стране имеются интересные разработки в области их конструирования, результаты внедрения которых могут быть весьма успешными.
Отдельной задачей должно быть исполнение программы закрытия ядерных реакторов, исчерпавших ресурс работы, переработки и надежного захоронения радиоактивных отходов.
Наконец, для ряда труднодоступных районов нашей обширной страны весьма важным могло бы быть строительство малых ядерных электростанций, работающих порой в автоматическом режиме, а также плавучих атомных электростанций (см. также "Наука и жизнь" № 5, 1993 г. - Прим. ред.).
О возобновляемых источниках энергии
К возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) относятся: солнечная энергия; энергия ветра; энергия биомассы, включая различные отходы; геотермальная энергия; энергия малых рек; энергия приливов; волновая энергия; энергия, определяемая разностью температур по глубине океана.
В производстве электроэнергии доля возобновляемых источников без крупных ГЭС в целом по миру составляет около 1,6%. Однако в ряде развитых стран она вполне ощутима: Дания - более 12%; Италия - 2,8%; Испания - 2,7%; Германия - 2,7%; Чили - 2,7%; Швеция - 2,5%; Великобритания - 2,4%; США - 2,2%.
Большинству возобновляемых источников присущ крупный недостаток - их энергия поступает непостоянно. Работающие на ней установки должны иметь либо аккумуляторы, либо установки-дублеры, работающие на традиционном топливе, или же электрическая сеть должна иметь достаточные емкость и маневренность, чтобы компенсировать неритмичность работы. Полученная ими энергия, как правило, дороже традиционной, что существенно влияет на отношение к ним. Поэтому если в 70-80-е годы прошлого века для развитых стран стимулом применения возобновляемых источников были нефтяные кризисы и опасение, что век дешевого топлива закончился, то сегодня основным аргументом в их пользу стала экологическая чистота. Для России сегодня, несмотря на высокую стоимость энергии, использование этих источников может оказаться экономически выгодным на территориях, где используется дорогое привозное топливо и нет централизованного энергоснабжения.
Ветровая энергетика
Использование энергии ветра - динамично развивающаяся отрасль мировой энергетики (см. "Наука и жизнь" № 3, 2004 г. - Прим. ред.). Если суммарная мощность всех ветроэнергетических установок в мире в 2000 году составляла 17,8 ГВт, то в 2002 году она достигла уже 31,1 ГВт, а мощность серийной установки - около мегаватта. При благоприятных характеристиках ветра стоимость "ветровой" электроэнергии приближается к стоимости электроэнергии "топливной". В России до недавнего времени развитию ветроэнергетики не уделялось должного внимания. Разрабатывавшиеся в конце прошлого века установки не отвечали требованиям надежности и эффективности. Поэтому практически все крупные ветроэлектро -станции, действующие сегодня в России, укомплектованы импортными агрегатами.
Малая гидроэнергетика
К малым ГЭС условно относят станции мощностью от 100 кВт до 10 МВт. Меньшие агрегаты относятся к категории микро-ГЭС. Суммарная мощность малых ГЭС в мире сегодня превышает 70 ГВт.
Малая гидроэнергетика за последние десятилетия заняла устойчивое положение во многих странах мира. Лидирующая роль в ее развитии принадлежит КНР, где суммарная мощность малых ГЭС более 13 млн кВт. В США, Канаде, Швеции, Испании, Италии и во Франции она превышает 1 млн кВт. Развивающиеся страны строят малые ГЭС в качестве автономных источников электроэнергии в сельской местности.
Энергетический потенциал малых рек нашей страны очень велик. В России свыше 2,5 млн малых рек с общим стоком более 1000 км3 в год. Доступными сегодня средствами на малых ГЭС в России можно производить около 500 млрд кВт.ч электроэнергии в год. Особенно привлекательно создание малых ГЭС на базе ранее существовавших, где сохранились гидротехнические сооружения, и на малых водохранилищах, которых в России более тысячи.
Солнечная энергия
Проще всего с помощью солнечной энергии получать тепло в плоском коллекторе для горячего водоснабжения. Суммарная площадь коллекторов, установленных сегодня в мире, оценивается в 50-60 млн м2, что обеспечивает производство тепловой энергии, эквивалентное 5-7 млн тонн условного топлива в год (см. "Наука и жизнь" № 12, 2002 г. - Прим. ред.).
В России солнечные водонагреватели пока еще не нашли значительного распространения. Это, с одной стороны, связано с относительно низкой стоимостью традиционных топлив, а с другой - с бытующим мнением о нехватке солнечного света в большинстве регионов России.
Преобразование солнечной энергии в электроэнергию можно вести как термодинамическими методами (получением пара высокого давления), так и прямым преобразованием с помощью фотоэлектрических панелей (ФЭП).
Сегодня в США работают семь электростанций общей мощностью 354 МВт, использующие цилиндрические отражатели света и термодинамический метод преобразования. Известны проекты сооружения подобных установок в ряде стран так называемого солнечного пояса (Мексика, Египет и др.). Для России подобные проекты сколько-нибудь значительного интереса не представляют.
Фотоэлектрические преобразователи, напротив, находят все большее применение. Они используют не только прямое, но и рассеянное излучение и не требуют дорогостоящих устройств слежения за Солнцем.
Суммарная мощность всех установленных в мире фотоэлектрических преобразователей превысила 500 МВт; в ряде стран приняты национальные программы по широкому их внедрению ("100 тысяч солнечных крыш" в Германии и в Японии, "1 млн солнечных крыш" в США). При хорошем освещении стоимость выработанной преобразователями электроэнергии не превышает 15-20 центов за киловатт. Установки небольшой мощности, в единицы киловатт, дают сегодня практически единственную возможность приобщить сельское население развивающихся стран к современной цивилизации.
Несмотря на положительные тенденции мирового рынка, высокая стоимость электроэнергии фотопреобразователей сдерживает их более широкое применение. Она обусловлена дороговизной и основного материала (как правило, кремния высокой чистоты), и технологического процесса его получения. Поэтому во всем мире ведутся исследования и разработки, направленные на их удешевление. Одно из перспективных направлений - создание высокоэффективных преобразователей с концентраторами солнечного излучения. Наиболее интенсивно исследования в этой области проводятся в США и России. КПД разработанных в США солнечных элементов на основе монокристаллов кремния достигает 20-25% при концентрации в 10-100 солнц и рабочей температуре 25°С. Для работы при концентрации в 300-1000 солнц более перспективны элементы на основе системы арсенид галлия - арсенид алюминия, впервые разработанной в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе: их КПД около 30% при концентрации в 500-1000 солнц и рабочей температуре 60-80°С.
Энергия биомассы
По некоторым данным, вклад биомассы в мировой энергетический баланс составляет около 12%, хотя значительная ее доля, используемая для энергетических нужд, не учитывается официальной статистикой.
Биомасса образуется в результате фотосинтеза, за счет которого солнечная энергия аккумулируется в растущей массе растений. Энергетический КПД фотосинтеза составляет около 5%. В зависимости от вида растений и зоны их произрастания продуктивность в расчете на единицу площади, занятой растениями, различна. Для медленно растущих северных лесов она составляет тонну прироста древесины в год на гектар. Для сравнения: на этой же площади в штате Айова, США, урожай кукурузы (вся зеленая масса) в 1999 году составил около 50 тонн.
Для энергетических целей первичная биомасса используется в основном как топливо, причем речь, как правило, идет об отходах полеводства (солома, сено), лесной и деревоперерабатывающей промышленности. Сжигание биомассы обычно требует либо ее предварительной подготовки, либо специальных топочных устройств.
В России использование отходов лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности для коммерческого производства электроэнергии и тепла пока незначительно. По некоторым данным, в стране еще недавно имелось 27 малых ТЭЦ общей мощностью 1,4 ГВт, использовавших их совместно с традиционным топливом (мазут, уголь, газ). При этом собственно на биомассе выработано 2,2 млрд кВт.ч электроэнергии и 9,7 млн Гкал тепла.
Значительный энергетический потенциал содержится в отходах животноводства, твердых бытовых отходах и отходах различных отраслей промышленности. Используют их с помощью термохимических и биохимических методов. В первом случае речь идет в основном о твердых бытовых отходах, которые либо сжигают, либо газифицируют на мусороперерабатывающих фабриках. Во втором случае сырье - навоз или жидкие бытовые стоки - перерабатывают в биогаз, состоящий из 70% метана и 30% диоксида углерода.
В России ежегодно образуется около 60 млн тонн твердых бытовых отходов, около 130 млн тонн отходов животноводства и птицеводства и 10 млн тонн осадков сточных вод. Их энергетический потенциал - 190 млн условного топлива используется пока совершенно недостаточно.
Геотермальная энергия
Из недр Земли на поверхность непрерывно поступает тепловой поток, интенсивность которого составляет в среднем около 0,03 Вт/м2. Под его воздействием возникает вертикальный градиент температуры - так называемая геотермальная ступень. В большинстве мест она составляет не более 2-3 градусов на 100 метров. Однако в местах молодого вулканизма, вблизи разломов земной коры, порой уже на глубине нескольких сотен метров залегают либо сухие горные породы, нагретые до 100°С и выше, либо запасы воды или пароводяной смеси такой же температуры, пригодные для создания геотермальной электростанции (ГеоЭС). Менее горячую воду целесообразно использовать для теплоснабжения. Если температура воды слишком низка для непосредственного использования, ее можно повысить, применяя тепловые насосы. Если обычным путем тепло переходит от нагретого тела к более холодному, выравнивая разность температур, то тепловой насос "перекачивает" его в обратном направлении, от холодного тела к нагретому, повышая его температуру. Примером служит обычный холодильник: он забирает тепло из морозильной камеры и отдает его в комнату.
В настоящее время суммарная электрическая мощность действующих в мире ГеоЭС составляет около 10 ГВт, а тепловая мощность геотермальных систем теплоснабжения оценивается в 17 ГВт.
Запасы геотермальной энергии в России чрезвычайно велики: практически всюду есть запасы подземного тепла с температурой от 30 до 200°С. Сегодня на территории России пробурено около 4000 скважин на глубину до 5 км, которые позволяют перейти к широкомасштабному внедрению современных технологий для местного теплоснабжения на всей территории нашей страны. В последнее десятилетие АО "Геотерм" и АО "Наука" совместно с Калужским турбинным заводом внесли существенный вклад в использование геотермальной энергии на Камчатке и Курильских островах. Построены Верхнемутновская ГеоЭС мощностью 12 МВт и первый блок Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт. На Курильских островах сооружены геотермальны е станции теплоснабжения.
Использование низкопотенциального тепла в сочетании с тепловыми насосами
В настоящее время отопление и горячее водоснабжение городов осуществляются, как правило, от городских ТЭЦ или районных котельных, работающих на традиционном топливе. Автономные потребители (коттеджи, дачи, садовые домики) используют для отопления и горячего водоснабжения также и электроэнергию.
Вместе с тем множество источников низкопотенциального тепла, как природных, так и искусственных, в сочетании с тепловыми насосами могут составить конкуренцию традиционному топливу. Тепловые насосы широко применяются для обогрева жилых и административных зданий в США, Швеции, Канаде и других странах со сходными с Россией климатическими условиями. Расширяется опыт их применения и в нашей стране.
В качестве природных низкопотенциальных источников тепла наибольший интерес представляют незамерзающие водоемы или источники геотермального тепла. Во многих регионах на небольшой глубине есть геотермальные воды с температурой 20-30°С. Там с каждого метра длины скважины глубиной от десятков до нескольких сотен метров, служащей теплообменником с циркулирующей жидкостью, можно получить от 70 до 300 Вт тепла.
Представляют интерес комбинированные схемы, в которых наряду с использованием тепла грунта утилизируются тепло вентиляционных выбросов и солнечная энергия, преобразуемая посредством простейшего солнечного коллектора.
О широком применении тепловых насосов речь идет уже давно, однако их использование весьма ограничено. Необходимо совершенствовать технологию, снижающую их стоимость и расходы на эксплуатацию, и знакомить потенциальных потребителей с этим весьма перспективным методом теплоснабжения.
Сверхпроводимость
Использование явления сверхпроводимости в энергетике всегда считалось весьма перспективным. Даже сверхпроводники, работающие при гелиевых температурах, помимо их приборного применения, вполне успешно работали в крупных магнитных системах, индукционных накопителях энергии, запасающих до 108 и даже до 109 джоулей, в экспериментальных линиях электропередачи и электрических машинах.
Однако особых перспектив в создании силовых проводников с большими плотностями тока следует ожидать после разработки высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), работающих при водородных и, можно надеяться, азотных температурах. А использование очень непростого в техническом плане явления сверхпроводимости, даже при азотных температурах, в электрических машинах, КПД которых в настоящее время достигает 99%, представляется излишним - результатом станет лишь ничтожный технико-экономический эффект.
Водородная энергетика
Термин "водородная энергетика" предполагает широкое использование водорода в энергетических системах и во многих других секторах экономики ближайшего будущего. Сегодня водород для целей энергетики практически не применяется.
Действительно важным аргументом внедрения водорода в энергетику служит охрана окружающей среды: при сжигании водорода в атмосферу выбрасывается только водяной пар. Особенно активно в последнее время водород предлагают как топливо для автомобилей - он не только не загрязняет атмосферу, но и приводит к экономии первичного топлива.
Водород, однако, нельзя называть источником энергии. Он в связанном виде входит в состав воды, ряда природных углеводородов, биомассы, различных органических отходов. Получение водорода из них требует затрат энергии. Поэтому водород следует рассматривать как промежуточный энергоноситель, и для его широкого применения нужно решить задачи эффективного производства, методов хранения и транспортировки, высокоэкономичного использования водорода для получения тепла, электрической и механической энергии.
Производство водорода
Повсеместное внедрение водородной энергетики требует разработки новых методов эффективного и экологически чистого производства водорода из углеводородного сырья, органических отходов и воды. Сегодня водород из углеводородов и органических отходов чаще всего получают термохимическими методами; при его производстве из воды традиционно применяют электролиз или различные высокотемпературные термохимические циклы.
Аккумулирование и хранение водорода в твердофазном связанном состоянии: в металлогидридах и композитных наноструктурных материалах, в том числе металлугле родных и каталитических, - наиболее безопасно и для многих приложений наиболее эффективно. Исследования и разработки таких технологий охватывают создание и исследование как новых металлогидридных систем, так и систем на основе новых материалов с улучшенной кинетикой сорбции и повышенной емкостью по водороду. Их появление может радикально расширить практическое использование аккумулирующих водород устройств на автотранспорте и в автономной энергетике. Особенно важно это для безопасного хранения газа на борту транспортных средств. Водород, как экологически чистый энергоноситель для производства электроэнергии, можно использовать и в топливных элементах, и в энергетических установках.
Топливные элементы
В отличие от тепловых электростанций, которые химическую энергию топлива вначале преобразует в тепло, а уж затем в электроэнергию, в топливном элементе происходит непосредственное преобразование химической энергии в электрическую. Теоретически вся химическая энергия топлива может быть превращена им в электроэнергию. Однако при всей заманчивости идеи использования топливных элементов в энергетике ее реализация наталкивается на серьезные трудности. Именно поэтому их практическое применение и по сей день весьма ограничено, хотя принцип работы известен уже более полутораста лет. Основная сложность состоит в том, что и топливо и окислитель должны быть вначале превращены в ионы. В топливных элементах ионизация происходит при умеренных температурах в присутствии катализаторов, включающих металлы платиновой группы. Сегодня применительно к энергетике рассматривают несколько типов топливных элементов с КПД от 40% до 70%, различающихся прежде всего типом электролита - переносчика ионов и характером промежуточных реакций. Топливом для них служит водород, а окислителем - либо кислород, либо воздух. Принципиальная схема включает водородный анод, кислородный катод и электролит, проводящий те или иные ионы. Теоретическая ЭДС элемента при стандартных условиях составляет 1,23 В.
Для примера рассмотрим топливный элемент со щелочным электролитом, который служит источником энергии для космических аппаратов. На его аноде происходят диссоциация и ионизация молекулярного водорода:
H2 ® 2H+ + 2e-.
В качестве электролита обычно используется раствор щелочи КОН. Ионы водорода под действием разности потенциалов между анодом и катодом диффундируют через слой электролита к катоду. Электроны, образовавшиеся на аноде, при замыкании внешней электрической цепи перетекают к катоду, совершая полезную работу. На катоде происходит реакция
4H+ + 4e- + O2 ® 2H2O,
то есть единственным продуктом реакции оказывается водяной пар.
Каждый тип топливных элементов имеет свою предпочтительную область использования. Однако для их широкого применения требуется не менее чем на порядок снизить стоимость элементов. Именно в этом направлении, по-видимому, будут развиваться в ближайшие годы научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.
Водородсжигающие установки
Многие исследования показали, что по термодинамической эффективности паротурбинные и парогазовые водородсжигающие электроустановки мощностью 1-10 МВт близки к топливным элементам, а по удельной мощности (на единицу реакционного объема) превышают их. При мощностях до 0,1-1,0 МВт для автономных потребителей более эффективными могут оказаться топливные элементы.
Как показал технико-экономический анализ различных вариантов использования водорода в энергоустановках, наиболее целесообразно, в том числе и с точки зрения безопасности, производить водород в одном блоке с электрохимическим генератором. В качестве его источника можно использовать алюминий, боро-, алюмогидриды и другие соединения, которые при химическом и электрохимическом окислении дают наибольший выход газа.
На этом, наверное, можно закончить краткий обзор некоторых важных проблем энергетики, основанный на более чем шестидесятилетнем опыте деятельности в области энергетической науки, ее прикладного применения и данных о современном положении дел в энергетике. Развитие и совершенствование энергетики должны проводиться на базе достижений фундаментальной и прикладной наук, разработки новых технологий - основы для создания высокоэффективного оборудования. А учитывая ту огромную роль, которую играет энергетика, позволяя на основе технико-экономического анализа принимать соответствующие политические решения, не будет большим преувеличением утверждать, что энергетика и в немалой степени ее электроэнергетическая составляющая во многом определяют безопасность государства.
Подписи к иллюстрациям
Илл. 1. На снимках: параболические зеркала-концентраторы в калифорнийской пустыне, предназначенные для нагрева воды; солнечные преобразователи снабжают электроэнергией коттеджи в голландском поселке; портативные фотоэлектрические панели дают возможность индийским крестьянам слушать радио и смотреть телевизор.
