Программа исследований, разработок и демонстраций новых технологий по экологически чистому использованию угля
Гринбаум М.
Изменения в исследованиях и разработках в области энергетики.
Современный анализ энергоснабжения и энергопотребления выявил тенденции как внутреннего, так и мирового рынков, которые требуют переоценки приоритетов в области исследований и разработок, особенно в плане их отношения к роли ископаемого топлива вообще и угля в частности. Эти новые факторы изменили ранее существовавшие представления о том, что считать подходящей программой НИОКР и демонстраций (НИОКРиД), в результате реализации которой будут определены, разработаны и представлены для практического применения технологии, так необходимые для того, чтобы гарантировать, что ископаемые энергетические ресурсы смогут удовлетворить требования по охране окружающей среды, общественный спрос и рынки, оставаясь при этом конкурентоспособными.
Наиболее важными факторами, которые влияют и, как ожидают, будут продолжать оказывать влияние на будущее направление, которое примет электроэнергетика, являются:
дерегулирование, приватизация и конкуренция:
конкуренция между разными видами топлива, особенно для вновь вводимых генерирующих мощностей;
покупка и продажа энергии (независимо от производителя и потребителя) на оперативной (в реальном времени за сутки) и фьючерской основе;
создание работающих по всей стране (“total”) энергокомпаний;
рассредоточенное (распределенное) производство электроэнергии, комбинированная выработка тепла и электроэнергии и объединение их с производством других продуктов (coproduction) как новое направление энергосбережения;
ограничения по условиям окружающей среды, накладываемые на твердые, жидкие и газообразные выбросы:
все более строгий контроль за выбросами загрязнителей, таких, как SО2 и NOx, а также вероятность в дальнейшем ограничения выбросов ультрамелких твердых частиц и ртути;
возможность будущих ограничений выбросов углеродсодержащих газов, учитывая необходимость предотвращения глобального изменения климата.
Эти факторы учитывают при планировании и реализации малозатратной, эффективной, быстрореагирующей на изменяющиеся обстоятельства программы НИОКРиД, способной удовлетворить требования будущих мировых рынков к технологиям, оборудованию и источникам энергии.
Программа США в области угля и электроэнергии - ответ на произошедшие изменения.
В ответ на эти изменения программа министерства энергетики США в области угля и электроэнергии (Coal and Power Systems Program) в настоящее время сосредоточена на достижении четырех целей:
разработка систем производства электроэнергии со все более высоким КПД и снижением вредного воздействия на окружающую среду при 10 - 20%-ном снижении стоимости электроэнергии. Усилия в этом направлении обеспечат, в конечном счете, основу для создания нового поколения энергетического оборудования с близким к нулю уровнем выбросов (включая СО2);
разработка высокоэффективных систем уменьшения выбросов SО2, NOx и твердых частиц, которые можно использовать на действующих ТЭС;
проведение исследований с целью определения жизненности методов удаления СО2 для снижения выбросов парниковых газов; разработка технологий и систем для производства сверхчистого транспортного топлива, химических продуктов и высококачественных углеродсодержащих продуктов, которые могут стать конкурентоспособными в первом десятилетии XXI века.
Эти цели будут достигнуты путем осуществления проектов, включенных в три раздела программы.
Первый раздел - энерготехнологии как для крупных электростанций централизованного энергоснабжения, так и небольших автономных генерирующих установок - рассредоточенных источников.
Для централизованного энергоснабжения рассматриваются перспективные системы и инновации для действующих ТЭС.
Работы по созданию перспективных систем заключаются в разработке малотоксичных котлов (Low Emission Boiler System, LEBS), ПГУ с внутрицикловой газификацией угля (IGCC), перспективных технологий сжигания (Advanced Combustion) и “гибких” ГТУ. Цель этих разработок для угольных ТЭС - достичь КПД 42 - 45% в 2000 - 2005 гг., что заложит фундамент для дальнейшего повышения КПД до 55 - 60% после 2010 г. Ожидается, что эти улучшения снизят выбросы СО2 более чем на 40% по сравнению с нынешними угольными ТЭС.
Разработка малотоксичной системы сжигания LEBS представляет собой проект создания пылеугольных ТЭС второго поколения с минимальным воздействием на окружающую среду. Он находится в последней стадии выполнения. На этой стадии планируется проектирование и сооружение полномасштабной установки LEBS, которая позволит получить необходимые для промышленного использования данные.
Целью разработки ПГУ с внутрицикловой газификацией угля является снижение затрат и оптимизация характеристик для выработки электроэнергии, очистки горячих газов и снижения выбросов опасных загрязнителей воздуха как для ПГУ с газификацией, так и для перспективных технологий сжигания топлива (Advanced Combustion Technologies). Разработка концепции перспективных систем сжигания включает в себя гибридные системы, объединяющие в себе сжигание и газификацию и их компоненты.
По программе перспективных, (газо)турбинных систем (Advanced Turbine System program) Министерство энергетики США завершает испытания ГТУ для крупных (400 МВт) энергоблоков и инициирует программу разработки “гибких” перспективных ГТУ для высокоэффективной работы на синтетическом газе.
Инновации для действующих ТЭС нацелены на технологии снижения вредных выбросов. Деятельность Агентства по защите окружающей среды (ЕРА) по регламентированию вредных выбросов продолжает влиять на показатели, которые должна иметь энергоустановка, работающая на ископаемом топливе. Его инициативы включают в себя:
жесткие национальные стандарты качества окружающего воздуха для мелких твердых частиц и озона, ограничения выбросов, загрязняющих регион;
дальнейшие снижения выбросов NOx электростанциями для выполнения современных норм по озону;
ограничение потенциально опасных выбросов углесжигающих электростанций;
активную политику, направленную на применение принятых “Стандартов на характеристики новых источников электроэнергии” к действующим ТЭС.
Предполагаемые временные рамки для введения этих нормативов - 2005 - 2010 гг. Агентство по защите окружающей среды указало на то, что первым объектом экологического контроля будут действующие угольные ТЭС. Необходимо поэтому быстро переориентироваться на исследования и разработки менее затратных технологий, способных эффективно снизить выбросы NOx, SO2 и ртути, и на их применение при реконструкции действующих ТЭС. Что касается NOx и SO2, то главной целью НИОКРиД станет снижение затрат. Для значительного снижения выбросов ртути в настоящее время нет практически применимой для различных типов ТЭС технологии. Поэтому основное внимание уделяется как повышению эффективности, так и снижению затрат.
В программе по распределенным системам генерирования электроэнергии (Distributed Generation Systems program) проводятся НИОКРиД, направленные на экономичное покрытие пиков нагрузки без сооружения капиталоемких крупных ТЭС или крупных капиталовложений в линии электропередачи и подстанции. Соответствующие технологии могли бы использоваться для обеспечения “чистой” электроэнергией отдаленных мест и создания новых деловых возможностей для энергосистем и частных энергопроизводителей. По программе рассредоточенного производства электроэнергии разрабатываются перспективные энергоустановки, которые улучшат качество электроэнергии, снизят ее стоимость и вредные выбросы в окружающую среду, ускорят окупаемость капзатрат. В настоящее время продолжается работа над топливными элементами с расплавленными карбонатами и на твердых оксидах. Основное внимание уделяется усовершенствованию батарей элементов и снижению стоимости путем улучшения качества компонентов.
Второй раздел - удаление углерода - открывает возможность пользоваться преимуществами экономической и экологической безопасности, которую дает использование ископаемого топлива в нашем национальном энергобалансе, решая также проблемы изменения климата. Основной задачей программы (Carbon Sequestration Program) является снижение затрат на разработку целесообразных способов удаления и создание уверенности в том, что длительное удаление будет эффективно и экологически приемлемо. Далее приведены пять проектов по удалению углерода.
- Выделение и связывание - нацелены на новый малозатратный способ удаления углерода или СО2 из систем выработки и преобразования энергии.
- Удаление СО2 в геологические образования - оценивает применимость и эффективность длительного хранения СО2 в геологических структурах, таких, например, как пустоты, образовавшиеся в результате извлечения из недр нефти и газа, неэксплуатируемые угольные пласты и глубокие соляные емкости.
- Удаление углерода в наземных экосистемах (лесах, почвах, растительности и др.) - исследует возможность увеличить естественное поглощение и удержание атмосферного СО2 растениями путем объединения усовершенствованных агро- и лесоводческих процессов с системами производства и использования энергии, получаемой из ископаемого топлива.
- Удаление в океаны - изучает возможные механизмы увеличения количества атмосферного СО2 в океане с помощью процессов, которые ускоряют его поглощение океаном или доставляют СО2 в глубины океана для хранения.
- Перспективные концепции - изучают новейшие химические, биологические и другие процессы для возврата в цикл или использования СО2, производимого в энергоустановках.
Третий раздел - перспективное “чистое” топливо - программа разработки технологий и процессов для получения сверхчистого транспортного топлива, химических продуктов и высококачественных углеродсодержащих продуктов.
