Значение угля для будущего энергоснабжения США, а также в качестве конкурента на международном рынке, в большой степени определяется выбором и внедрением НИОКР и работами по их демонстрации в соответствии с программой в области угля и электроэнергии. Особо важными для их концентрации и направления являются работы, проводимые в соответствии с шестью ключевыми инициативами:
программа “Видение 21” (The Vision 21 program); первый шаг к комбинированному производству (Early Entrance Coproduction Plant);
инициатива “Чистая электроэнергия из угля” (Clean Coal Power Initiative);
исследования и разработки для удаления СО2 (Sequestration Research and Development);
программа “Сверхчистое транспортное топливо” (Ultra-Clean Transportation Fuels Program);
консорциум для получения высококачественных углеродсодержащих продуктов из угля (Consortium for Premium Carbon Products from Coal).
Программа “Видение 21’’ - это сотрудничество правительства, промышленности и академической науки для разработки технологий, призванных снять экологические проблемы, связанные с использованием ископаемых видов топлива для производства электроэнергии и транспортного топлива. Идея заключается в разработке технологических модулей, которые можно объединять в различные конфигурации для производства нужных продуктов. Такое модульное энергооборудование позволит использовать различные виды топлива (уголь, природный газ, нефтяной кокс, городские отходы) для конкурентоспособного производства таких продуктов, как электроэнергия, пар, топливо и химикаты. Программа “Видение 21” опирается на “портфель технологий”, уже разрабатываемых, включая ПТУ с внутрицикловой газификацией угля, ПГУ со сжиганием угля в кипящем слое под давлением, перспективные
ГТУ, топливные элементы, синтез топлива, и добавляет другие важные технологии и способы интеграции систем. При объединении с улавливанием и возвращением в цикл или удалением СО2 системы, разрабатываемые по программе “Видение 21”, могли бы работать вообще без выбросов СО2 в атмосферу.
В этой программе поставлена, в частности, цель - достичь КПД производства электроэнергии 60% при сжигании угля и 75% при сжигании газа (без корректировки на выработанный в комбинированном процессе пар). С учетом его КПД может достичь 85%.
Экологические показатели будут характеризоваться нулевыми выбросами SO2, NOx, твердых частиц, микроэлементов и органических соединений и снижением на 40 - 50% выбросов СО2 вследствие повышения КПД. При применении удаления СО2 выбросы его можно полностью исключить.
Очень важно, что затраты на производство на предприятиях, разрабатываемых по программе “Видение 21”, ожидаются ниже, чем на традиционных. Не энергетические, например, химические продукты, получаемые на этих предприятиях, должны быть конкурентоспособными на местных рынках.
Сроки реализации программы “Видение 21” приведены далее.
Год Нововведение
- Демонстрация гибридной энергоустановки с КПД
60%
- Проведение тысячечасовых испытаний высокотемпературного (1260°С) воздухоподогревателя;
улучшение материала для работы при высоких температурах
Компьютерная визуализация с научным и инженерным
- моделированием средства для компьютерного проектирования и моделирования
- Испытания модуля - прототипа воздухоразделительной установки
Перспективная технология улавливания частиц,
- меньших или равных 2,5 мкм, подготовленная для стандартизации
Коммерческие установки с воздухоразделительными мембранами, обеспечивающие получение не-
- дорогого кислорода; коммерциализация гибких к топливу перспективных газификаторов; освоение перспективных газотурбинных технологий
Мембраны для выделения водорода, обеспечивающие невысокую стоимость его получения для энергетических установок и выработки топлива; испытания сверхвысокотемпературных (1650°С) 2010 воздухоподогревателей; демонстрация гибридной энергоустановки с КПД 70%; высокоэффективное соединение топливного элемента с ГТУ; улучшенные материалы для работы при высоких температурах
Таким образом, основные нововведения, такие, как усовершенствованные газификаторы, перспективные топки, высокотемпературные фильтры и т.п., начнут появляться на рынке к 2004 г. Конструкции большинства подсистем и модулей, разрабатываемых по этой программе, будут доступны к 2012 г., а проекты промышленных установок - к 2015 г.
Ключевые для реализации и коммерциализации этой концепции технологии были установлены и разбиты на две группы: базовые и поддерживающие.
Базовые технологии создают фундамент подсистем или модулей, составляющих “строительные блоки” предприятий “Видения 21”. Некоторые из этих технологий, такие, как ПГУ с внутрицикловой газификацией угля и сжигание угля в кипящем слое, демонстрируются в рамках программы демонстрацией чистых угольных технологий (The Clean Coal Technology Demonstration Program).
Базовые технологии включают в себя:
мембраны для сепарации кислорода - перспективная мембранная технология, дает надежду на значительное снижение стоимости получения кислорода по сравнению с нынешним криогенным разделением воздуха. Наличие дешевого кислорода имеет принципиальное значение для перспективных систем как газификации, так и сжигания, позволяя снизить стоимость, увеличить КПД, снизить образование NO2 и облегчить улавливание СО2 из неразбавленных в процессе газов. В настоящее время ионно-транспортные мембраны проходят лабораторные испытания. Эти высокотемпературные мембраны могли бы начать заменять обычные энергоемкие криогенные сепараторы к 2007 г.;
мембраны для сепарации водорода - высокотемпературные керамические мембраны, представляют собой энергоэффективное, не требующее больших затрат средство сепарации водорода из синтетического газа для питания топливных элементов и производства топлива или химических продуктов. В настоящее время мембраны проходят лабораторные испытания. Эти мембраны, которые должны быть готовы к промышленным испытаниям к 2009 г., дадут возможность высокотемпературной сепарации водорода из синтетического газа для использования его в качестве топлива или химического сырья;
высокотемпературные теплообменники позволяют эффективно передавать тепло, выделяющееся при сжигании, “чистым” рабочим средам для перспективных турбин, работающих при температуре 1480°С, а также воздуху и другим газам, используемым в перспективных процессах. В настоящее время теплообменники из металлических сплавов, способные работать при температуре 1100°С, проходят испытания на исследовательской установке и будут доступны к 2005 г. Для более высокотемпературных (до 1650°С) керамических теплообменников проводятся НИОКР по материалам. Появление первых крупных промышленных установок ожидается к 2020 г. Для программы “Видение 21” нужны высокотемпературные радиационные теплообменики, в особенности для разработок, в которых используются циклы с непрямым сжиганием топлива;
газификация, способная перерабатывать разные виды топлива, - гибкость по отношению к топливу, позволяет использовать дешевое сырье, избежать затрат на хранение отходов и создает синэргетические преимущества в таких отраслях промышленности, как целлюлозно-бумажная, нефтеперерабатывающая, а также при очистке стоков. В настоящее время уже проведено опытное использование нефтяного кокса в крупных промышленных газификаторах и топках. Что касается биомассы городских отходов и многих других возможных видов топлива, то по ним либо отсутствует, либо имеется лишь очень ограниченный опыт испытаний;
очистка газовых потоков - выполняемые проекты систем высокотемпературной фильтрации частиц и удаления химических составляющих, обеспечит получение данных, необходимых для того, чтобы повысить КПД, поскольку отпадет необходимость охлаждать газ; создать возможность использования высокотемпературных мембран для сепарации водорода и удовлетворить жесткие требования к качеству газа для перспективных систем сжигания, переработки синтетического газа и топливных элементов. В настоящее время натурные системы очистки газов при температуре 350 - 540°С проходят испытания. Высоко-темпертурные (выше 540°С) системы для получения сверхчистых газов будут готовы к промышленным испытаниям к 2008 г. Эти высокотемпературные системы позволят использовать мембраны для сепарации водорода и повысить КПД, так как не будет необходимости охлаждать и затем повторно нагревать газовые потоки;
перспективные системы сжигания - их преимущество: небольшие выбросы NO2 и облегчение улавливания СО2 в результате использования смесей кислорода с СО2 для сжигания топлива и возврата СО2 в цикл. В настоящее время высокотемпературные, с низким выходом NO2 топки были разработаны и испытаны на пилотных установках в соответствии с программами “Малотоксичные котельные системы” (LEBS), “Перспективное сжигание в кипящем слое под давлением” (Advance Pressurized Fluidized Bed Combustion, APFBC) и “Энергетические системы с высокими пока- 3aTCBBMH”(High Performance Power Systems, HIPPS);
турбины, способные работать на различных видах топлива, - в ГТУ используются перспективные принципы теплообмена и аэродинамические концепции и новые материалы, создающие возможность работы их систем сжигания при экстремально высокой температуре (1480°С) и в коррозионной среде. Высокие температуры дают возможность достичь высокого КПД, а устойчивость против коррозии обеспечивает гибкость по отношению к топливу. ГТУ класса F в настоящее время работают на синтетическом газе, первые из ГТУ класса G начинают работать на традиционных видах топлива, а первые ГТУ, относящиеся к перспективным системам, прошли испытания на природном газе;
топливные элементы - объединением высокотемпературных топливных элементов и ГТУ в гибридные системы создается эффект, ведущий к увеличению КПД выработки электроэнергии до 70% и более (по низшей теплоте сгорания). В цикле отводимое от высокотемпературных топливных элементов тепло используется для приведения в действие газовой турбины. Топливные элементы мощностью от 200 кВт до 1 МВт, работающие при атмосферном давлении, в настоящее время готовы к промышленному использованию. Разрабатываются более дешевые перспективные системы.
Установки с топливными элементами под давлением и ГТУ будут готовы к промышленному использованию в текущем десятилетии;
перспективные виды топлива и химические продукты - использование разрабатываемых в соответствии с топливной программой (Fuels Program) на ближнесрочную, среднесрочную и долгосрочную перспективу технологии получения сверхчистых видов топлива и химических продуктов на предприятиях, создаваемых в рамках программы “Видение 21”, приведет к тому, что эти предприятия смогут производить разнообразные ценные продукты, а именно, химические продукты, заменители транспортного нефтяного топлива, присадки к топливу и высококачественные углеродсодержащие продукты. В настоящее время усилия концентрируются на технологиях получения синтетического газа как из природного газа, так и из угля и последующей его каталитической переработки в жидкое топливо и химические продукты. Эти усилия создадут применимые в ближне- и среднесрочной перспективе технологии, которые можно будет использовать на ранних предприятиях, создаваемых по программе “Видение 21”.
Поддерживающие технологии - это технологии, общие для многих подсистем и модулей программы “Видение 21”. Они могут быть важными для применения и в других системах. К их числу относятся:
материалы - разработки новых сплавов и керамических материалов, а также технологий изготовления из них деталей для обеспечения работоспособности подсистем и компонентов “Видения 21” при характерных для них более высоких температурах и в коррозионной среде;
перспективное компьютерное моделирование и виртуальная демонстрация - расширение использования виртуальных демонстраций, является экономически целесообразным методом, позволяющим расширить пределы моделирования и снизить затраты на разработку и проектирование. Нынешние усилия направлены на разработку компьютерного моделирования для проектирования и интеграции подсистем. Виртуальная демонстрация уже применялась в других отраслях промышленности в качестве малозатратного пути снижения риска при строительстве и эксплуатации, а также для лучшего понимания о взаимозависимости в системах;
перспективные средства контроля и датчики должны быть пригодны для использования в агрессивной среде, характерной для топок и газификаторов. Датчики должны позволять проводить прямые (а не косвенные, как это делается сейчас) измерения параметров процессов, важных для определения эффективности процессов, надежности и готовности. При регулировании газификаторов и их устройств с трудными условиями для измерений обычно используют косвенные и расчетные значения параметров, оцененные по информации, полученной в других точках процесса;
перспективные технологии уменьшения вредных выбросов позволяют, в частности, решить проблему уменьшения выбросов респирательных частиц размером менее 2,5 мкм. Кроме того, эти технологии разрабатываются в соответствии с принципами промышленной экологии и будут обеспечивать минимум отходов путем их возврата в цикл и других мероприятий. Технологические усовершенствования для действующего парка электрогенерирующих установок позволят им удовлетворить действующие и прогнозируемые природоохранные нормативы;
перспективные методы изготовления и модульность необходимы для снижения затрат на проектирование и производство. Большинство крупных промышленных и принадлежащих энергосистемам электростанций, работающих на ископаемом топливе, проектируются индивидуально для определенной площадки. Разработка концепции и проектирование модулей (блоков) нескольких заданных типоразмеров позволят снизить расходы на проектирование и производство.
Первое поколение предприятий для комбинированного производства.
Исследование различных концепций энергетических установок показало, что при использовании на них перспективных технологий возможно совместное комбинированное производство на одном предприятии электроэнергии и других ценных продуктов. Первыми в этом роде будут предприятия, объединяющие технологии, используемые в электроэнергетике, в топливной и нефтехимической отраслях промышленности.
В подготовленном в 1999 г. докладе “Новая концепция предприятия: совместное производство из угля электроэнергии и других ценных продуктов” суммируются потенциальные технические, экономические и экологические преимущества, которые можно получить в результате такой интегрированной многоцелевой деятельности:
комбинированное производство позволяет при меньших издержках снизить выбросы СО2 на 27% по сравнению с производством такого же количества электроэнергии и жидкого топлива на разных предприятиях;
если бы эта концепция была применена с перспективными угольными технологиями, внедренными на всех современных ТЭС страны, то можно было бы производить 300 тыс. т (2,35 млн. баррелей) высококачественного транспортного жидкого топлива в день. При этом выбросы углерода снизились бы больше чем на 20% сегодняшних выбросов транспортного сектора;
при таком способе работы используются местные запасы угля (возможно, в комбинации с другим сырьем) и снижается зависимость от импорта нефти.
Достижение этих преимуществ и получение дешевой электроэнергии, возможные с помощью использующих разные виды сырья и производящих разные виды продукции предприятий, позволят США иметь устойчивую, крепкую экономику, повысить конкурентоспособность промышленности на развивающемся рынке труда. Промышленность сможет снизить выбросы до уровней, требуемых ужесточающимся природоохранным законодательством, а выбросы углерода контролировать с помощью новых, экономически оправданных способов.
