Инициатива “чистая электроэнергия из угля”.
Основой программы “Видение 21” являются программа НИОКР и демонстрация перспективных технологий выработки экологически чистой надежной электроэнергии из угля. Выполнение ее началось с “инициативы по совершенствованию электростанций”, рассчитанной на 1 год и полностью профинансированной в 2001 финансовом году в соответствии с поручением президента использовать чистые угольные технологии для надежного энергообеспечения страны. Выполнение ее создало предпосылки для организации новой программы ‘‘Чистая электроэнергия из угля” (ЧЭУ). Эти программы очень важны для достижения революционных целей программы “Видение 21”.
Программа ЧЭУ - ключевой элемент Национальной энергетической политики, которая будет нацелена на получение надежной и приемлемой электроэнергии из угля, и вследствие повышения КПД электростанций - управление выбросами СОг. ЧЭУ является совместной, с разделением затрат, программой правительства и промышленности, нацеленной на скорейшую демонстрацию новейших угольных электроэнергетических технологий и ускорение их внедрения и коммерциализации. Продолжение усилий Министерства энергетики США по выполнению НИОКРиД очень важно для успеха ЧЭУ. Эта деятельность создает технологический канал, поддерживающий и укрепляющий ЧЭУ. Кроме того, ЧЭУ создает возможность для ранней демонстрации модулей, использующих перспективные технологии, разрабатываемые в результате НИОКРиД как “предшественников” программы “Видение 21”.
В программе “Чистые угольные технологии” (ЧУТ, Clean Coal Technology Program) особое значение придается разработке:
перспективных систем производства электроэнергии, обеспечивающих существенно более высокий КПД угольных электростанций;
устройств для защиты окружающей среды, позволяющих снизить выбросы действующих ТЭС и промышленных установок;
промышленных процессов, направленных на улучшение производства стали и других товаров, которые были бы конкурентоспособны и экологически приемлемы;
технологий угольного топлива и очистки для получения из угольного сырья стабильных видов топлива с высокой теплотой сгорания для использования на транспорте.
Программа была начата в 1986 г. с расширения выбора новых методов уменьшения выбросов в атмосферу веществ, вызывающих кислотные дожди. Большинство первых проектов, включая все разработки технологий снижения вредных выбросов, накапливают данные или завершили уже свои программы испытаний. Некоторые, например, малотоксичные угольные горелки и системы сероочистки нашли уже промышленное использование. К другим проявляют интерес за рубежом, особенно в развивающихся странах, где заняты поиском малозатратных технологий, с помощью которых на старых электростанциях можно было бы выполнить современные природоохранные стандарты.
Первые соображения о многомиллиардной программе демонстрации “чистых” угольных технологий поступили из США и от канадских организаций по кислотным дождям (Canadian Special Invoys in Acid Rain). Первоначально предполагалось, что половина затрат на программу ЧУТ (примерно 5 млрд, дол.) будет сделана промышленностью и правительствами штатов. Их вклад, однако, оказался существенно большим. На проекты, которые сейчас осуществляются по программе, неправительственные участники собрали почти 3,5 млрд, дол., что составило 66% общих затрат.
По программе ЧУТ в течение 90-х годов проводилась демонстрация головных и опытных объектов, намеченная еще в 80-е годы. На будущее планируются дополнительные проекты.
По этой программе были организованы следующие проекты:
перспективные системы для производства электроэнергии в XXI в. ПГУ с внутрицикловой газификацией угля и ПГУ со сжиганием угля в кипящем слое под давлением позволяют снизить выбросы в атмосферу до лишь небольшой доли выбросов традиционных технологий, производя при этом приемлемую электроэнергию. Вследствие более высокого КПД преобразования угля эти проекты помогают уменьшить растущую во всем мире озабоченность выбросами парниковых газов. По этому направлению выполняется 11 проектов, оцениваемых почти в 2,9 млрд. дол. Мощность задействованных в них установок превышает 2,2 млн. кВт. Среди них пять проектов по сжиганию угля в кипящем слое, четыре ПГУ с внутрицикловой газификацией угля и два по системам перспективного сжигания (ДВС). Эти проекты не только обеспечат благоприятную для окружающей среды выработку электроэнергии, но и создадут задел продемонстрированных технологий, соответствующих новым требованиям к мощности в XXI в.;
экономически оправданные природоохранные устройства. Большинство из испытанных устройств было разработано для удовлетворения норм, установленных дополнениями к Закону о чистом воздухе от 1990 г. Многие остаются привлекательными для потребителей внутри страны и все растущего числа зарубежных заказчиков. 18 проектов по снижению вредных выбросов оцениваются в 620 млн. дол. Сюда входят семь систем снижения выбросов NOx, установленных на оборудовании общей мощностью более чем 1700 МВт, пять систем снижения выбросов SО2 на энергоблоках мощностью около 700 МВт и шесть систем одновременного снижения выбросов SC2 и NOx на установках мощностью примерно 670 МВт. Все эти проекты, кроме одного, уже завершены в объемах, которые предусматривались программой;
технологии для промышленной энергетики. Пять проектов для промышленной энергетики оцениваются примерно в 1,3 млрд. дол. Темами их являются замена углей 40% кокса при производстве железа, объединение прямого процесса производства железа с выработкой электроэнергии, снижение выбросов из цементных печей и твердых отходов и несколько экологически чистых промышленных топок;
переработка угля для получения “чистого” топлива. В настоящее время подготовлены новые способы переработки угля в чистые, более ценные виды топлива как для электроэнергетики, так и для применения в промышленности. Четыре таких проекта, оцениваемых более чем в 430 млн. дол., составили диверсифицированный портфель технологий. Два проекта демонстрируют производство твердого топлива с высокой теплотой сгорания для энергетических и промышленных котлов; в одном из них, кроме того, производится жидкий продукт для использования в качестве химического сырья или сырья для транспортного топлива. В рамках третьего проекта продемонстрирован новый процесс производства метанола. В соответствии с четвертым проектом разработана компьютерная система, с помощью которой можно прогнозировать эксплуатационные характеристики котлов в зависимости от угля, который предполагается на них сжигать.
Научные исследования и разработки в области удаления СО2.
Удаление углерода рассматривается в качестве третьего пути снижения выбросов парниковых газов; два других - это повышение КПД энергосистем и снижение содержания углерода в топливе. Понятие ‘'‘удаление” углерода объединяет улавливание выбросов СО2 из энергетических установок, связывание его в природных поглотителях, таких, как леса, фермы и океаны. Двуокись углерода, улавливаемую из антропогенных источников выбросов, можно захоронить под землей в геологических образованиях или в океанах, ее можно также перерабатывать в топливо, безвредные сухие вещества или в полезные продукты.
По программе были разработаны различные способы удаления углерода и уточнены целесообразные направления для внедрения в ближайшее время, а также разработки прорывных технологий для широкого использования в более отдаленном будущем.
Техническими задачами работ по программе являются: снижение затрат на сепарацию и улавливание СО2 из систем производства и использования; определение технической, экологической и экономической обоснованности удаления углерода при использовании различных мест для захоронения и различных энергоустановок, работающих на ископаемом топливе; определение экологической приемлемости крупномасштабных хранилищ СО2; разработка возможностей интегрирования технологий использования ископаемого топлива с природными накопителями СО2; разработка инновационных процессов производства ценных продуктов из СО2 и включение процесса удаления углерода в перспективные системы производства и использования энергии.
В таблице приведены сведения о нескольких проектах, осуществляемых в соответствии с программой и находящихся на разных стадиях разработки. Они отобраны при нескольких стадиях конкурентных переговоров для разделения затрат на НИР и организации партнерства и представляют взвешенный баланс разных технических направлений.
В марте 2000 г. национальная лаборатория энергетических технологий определила область научных исследований по удалению углерода (Carbon sequestration science, CSS). Рекомендованные ею исследования в этой области проводятся без специального финансирования по объединенным в программу проектам промышленностью, академическими организациями и другими национальными лабораториями. Их основными задачами являются следующие:
улавливание СО2:
внедрить аминорадикалы на поверхность активированных углеродсодержащих материалов для получения твердых сорбентов, при применении которых потребность в аминах для абсорбции СО2 снижается на несколько порядков по сравнению с обычными системами, использующими жидкие амины;
изучить использование в качестве сухого сорбента СО2 щелочных и щелочно-земельных металлов;
оценить кинетику абсорбции СО2 различными материалами, используя термогравиметрический анализ;
определить материалы с нужными характеристиками для дальнейшего испытания на пилотном реакторе;
разработать малозатратные электрохимические устройства для сепарации и обнаружения СО2, использующие электролиты из расплавов карбоната или твердые электролиты из карбоната лития; геология:
добиться четкого понимания на макроуровне того, что происходит, когда большие объемы СО2 закачиваются в геологические образования;
изучить кинетику реакций СО2 с кальцием и магнием в рассолах при температурах и давлениях, характерных при удалении СО2 в глубокие соленосные формации, особенно образование минеральных карбонатов;
определить характеристики угля, которые влияют на способность угольного пласта абсорбировать СО2 и на стабильность захоронения СО2;
разработать методы контроля структурной стабильности удаленного в геологические образования СО2 и использовать их для мониторинга СО2, захороненного в геологических образованиях;
перспективные методы преобразования и повторного использования СО2:
изучить реакции с СО2 разных недорогих, богатых кальцием и магнием сырых материалов, в результате которых образуются твердые минеральные карбонаты. Провести пилотные испытания в корпусном реакторе;
исследовать образование гидратов СО2 в гидротрубе высокого давления и разработать методы закачки СО2 в глубины океана, использующие образование гидратов для улучшения стабильности захоронений СО2.
