Тепловые станции: сырьевое обеспечение и возможности эксплуатации

Давайте еще раз поговорим о сырье. А именно, о твердом топливе для тепловых станций, об угле. Говорят, что нефть — это кровь экономики. Об угле можно сказать, что это хлеб энергетики. А такой “хлеб” в энергетике — голова. Мы вернулись к этой теме, чтобы уточнить: насколько атомная энергетика выгодна в роли базовой, и насколько представляется оптимальным использование тепловых станций на твердом органическом топливе для регулировки переменных нагрузок в энергосистемах. Повторим, что при том уровне технологического развития, на котором работают ТЭС сегодня, конечно, не стоит и говорить об их эффективности, экономичности и, особенно, экологической чистоте. Дело, однако, в том, что возможность быстрого перехода ТЭС на новые высокоэкономичные, безотходные технологии сжигания уже доказана. А угля для ТЭС у нас достаточно.

Мы уже упоминали, каковы запасы угля в России. Кроме того, ясно, что наряду с базовым ядерным энергопроизводством, мобильной и эффективной отраслью энергетики останется эксплуатация ТЭС на новых технологиях. Иначе говоря, уголь еще долго будет оставаться одной из основ нашей энергетики. Отметим, что надежное сырьевое обеспечение тепловой энергетики требует реформирования угольной промышленности в рамках целенаправленной государственной политики. Только при поддержке государства, при условиях крупных инвестиций осуществляется успешное развитие угольной промышленности в США, Китае, Австралии, ЮАР, Колумбии.

В противном случае даже богатейшие месторождения полезных ископаемых не эксплуатируются, а значит, не приносят пользы. Как следствие, не развивается ни промышленность, ни сельское хозяйство, которым жизненно необходима постоянная и растущая энергетическая подпитка. Поэтому одной из самых сложных и важных отраслей в нашей экономике является именно угольная отрасль.

Эксперты утверждают, что сегодня рентабельность угольных предприятий вполне достижима, причем в короткие сроки. Ряд угольных разрезов, в том числе малых, строительство которых началось в Приморье и Сибири, уже дают дешевый уголь. Если удастся завершить реструктуризацию, через пять - семь лет наша угольная промышленность будет не менее рентабельной и эффективной, чем австралийская. Это даст возможность не только обеспечить нашу энергетику и коммунальное хозяйство дешевым топливом, но и наладить масштабный экспорт угля. Кстати, сейчас Россия экспортирует свыше 10% добываемого угля, строится новый угольный терминал в порту Усть - Луга, что позволит существенно увеличить эту цифру. Есть весьма интересные проекты транспортировки угля, подобно нефти и газу, по трубопроводам. Кстати говоря, американские угольщики вынудили железные дороги резко снизить цену на перевозки угля именно после создания углепроводов. У нас тоже уже действует углепровод Белово - Новосибирск, и хочется надеяться, что это только первая ласточка.

В настоящее время, кажется, уже всем стало ясно, что угольная отрасль должна быть реструктурирована. Это значит, что будут закрыты по четкому графику нерентабельные шахты (их продукция слишком дорога, чтобы быть востребованной на рынке), появятся новые, способные выдержать жесткую конкуренцию, угледобывающие предприятия, произойдет техническое переоснащение перспективных действующих производств. Если и дальше процесс перестройки этой важнейшей сырьевой отрасли будет идти планомерно и продуманно, можно надеяться, что ТЭС завтрашнего дня не останутся без “хлеба”.

До сих пор во всех странах мира разрабатываются и осуществляются одноцелевые технологии энергопроизводства. Например, при добыче жидкого топлива получаем попутный газ и — сжигаем его. Аналогичная ситуация и с добычей газа: вместе с ним добывается газовый конденсат, по сути чистый бензин, который практически не используется. То же и при использовании угля, в котором имеется множество минералов, добываемый в некоторых угольных бассейнах уголь содержит даже серебро и золото, в каждой тонне угля есть и около 4 граммов урана. Но фактически используется только углерод, оставляя за бортом металлы, силикатные составляющие, оксиды кальция и магния. Из 1 кг угля мы используем лишь около одной трети — сколько там есть углерода. Характерно, что развитые западные страны предполагают полноценно использовать твердое топливо лишь в далекой перспективе, когда появятся более совершенные технологии добычи и полного, экологически чистого его использования.

Приведем конкретный пример: одна только Новочеркасская ГРЭС за год выбрасывает в золошлакоотвалы 200-240 тысяч тонн металлов. Столько же, сколько производит хорошая доменная печь. Мы измельчаем и сжигаем уголь, используя только углерод. Да и то не на 100% — в отвалах остается до 10% углерода. Одноцелевое использование сырья пагубно не только с экономической но и с экологической точки зрения, настала пора пересмотреть все известные технологии с учетом новых разработок, обеспечивающих полную экологическую чистоту производства без предварительной очистки сырья. Нужно развивать многоцелевые технологии, которые обеспечат одновременное использование вторичных ресурсов — золошлаков. Даже если говорить о строительных материалах, золошлакоотвалы наших ГРЭС дают возможность получения того же щебня в любом количестве.

В нашей стране разработана единая схема безотходного многоцелевого энергетического производства. В результате многочисленных исследований было установлено, что углерод в расплаве ведет себя, как жир в воде. То есть, если в процессе сжигания не подать кислород, а, следовательно, не дать возможности углероду окислиться, он всплывает. Дело в том, что все компоненты минеральной части твердого топлива при 1500⁰–1600⁰ С расплавляются, а получаемая жидкая масса ведет себя, как вода. Так что оксиды железа (все полиметаллы, включая и редкоземельные, и тяжелые металлы) оседают, углерод, если он не окислен, всплывает вверх, а минеральная часть остается посредине.

Были выполнены детальные эксперименты в котлах с жидким шлакоудалением по расплаву большей части минералов. Проведены исследования процесса плавления антрацита в доменной печи. Оказалось, что уголь прекрасно плавится! Интересно, что, регулируя подачу окислителя, можно или полностью окислять углерод, обеспечивая полное сжигание, или окислять частично, получая при этом высококалорийный газ. Металл же оседает в нижней части печи, и его можно удалять. Минеральная часть выводится отдельно, и из нее можно делать и стройматериалы, и керамику. Сейчас разработана полная технологически замкнутая система, использующая уголь на 100% и позволяющая при получении электроэнергии полностью исключить вредные выбросы и отходы. Сейчас начинаются исследования такого технологического цикла на экспериментальной тепловой станции (Несветай ГРЭС) с использованием специального котла.Однако добиться 100% использования добываемого угля при абсолютной экологической чистоте этого процесса станет возможным лет через 20-30, обеспечить же энергией страну в полной мере до тех пор сможет только атомная энергетика. Конечно, и атомные технологии будут совершенствоваться, но новые угольные технологии позволят развернуться и энергетическим предприятиям на твердом топливе. За всю историю человечества несколько раз радикально менялась технология получения энергии. Каждый раз с изменением энерготехнологи цивилизация поднималась на новый уровень промышленного производства и более высокий (в среднем) уровень жизни. Под изменением энерготехнологии следует понимать не только переход на другой вид топлива, но, в первую очередь, степень использования энергетического сырья. Переходя от древесины к углю, затем к сжиганию нефти, газа и, наконец, к использованию ядерной энергии, энергетика одновременно совершенствовала технологии их использования, учась находить компромисс между эффективностью, экономичностью и требованиями экологии. Анализ, проведенный различными учеными, показывает, что, хотя каждый из компонентов мировой энергетической системы неким образом сопротивляется изменениям в способах добычи энергии и вовлечению в производство новых видов топлива, тем не менее в течение некоторого времени необходимость установления баланса между тремя “Э” обеспечивает согласованный вклад различных энерготехнологий.

Иначе говоря, процесс установления баланса определяется природными условиями, т.е. имеющимися ресурсами топливно-энергетического сырья, последствиями их использования для биосферы и человека, уровнем технологий добычи энергии (эффективностью генерации и использования энергии), социальными мотивами, экономическими аргументами, которые опираются на оценки стоимости производства, внедрения новых технологий и др. Считается, что сосуществование различных энергетических технологий имеет место и благодаря антимонопольным законам — зависеть от монопольного влияния одной из энерготехнологий недопустимо. Причем это обстоятельство справедливо и для общества в целом, и для отдельных стран и регионов. Такой антимонопольный закон есть, по сути, необходимый закон выживания: нужна подстраховка на случай потери какого-либо из источников энергии. Слово “потеря” означает не только прямой захват источника энергии каким-то “противником”, но и исчерпанность природных ресурсов. А это вполне возможно, если их бездумно и безответственно извлекать из земли, расплачиваясь с нашей планетой только миллионами тонн вредных химических веществ, выбрасываемых при сжигании добытого сырья. Осознанием печальных последствий такого способа энергопроизводства и обусловлены наши усилия по разработке новейших технологий использования природного сырья. Кстати говоря, статистика утверждает, что время, в течение которого появляются и внедряются новые технологии, составляет примерно 50 лет. Если же посмотреть, за какое время определенная энерготехнология становится ведущей в мировом производстве, то на это уже потребуется около 100 лет. И это, главным образом, объясняется экономическими причинами — капиталовложения в новую отрасль производства должны быть весьма внушительны, чтобы она заняла лидирующее место среди прочих, но для этого нужно еще преодолеть известную инерцию финансовых потоков.

Специалисты, анализирующие закономерности развития мировой энергетики, указывают, что рост атомной энергетики на начальном этапе происходил значительно более высокими темпами, чем это обычно имеет место.

Сейчас те же аналитики МАГАТЭ предсказывают на ближайшие 15-20 лет “стагнацию атомных мощностей промышленно развитых стран Европы и Америки, умеренный рост атомных мощностей стран Восточной Европы и бурное развитие атомной энергетики в странах азиатского региона”. В основе таких прогнозов лежит тот факт, что в начальный период атомная энергетика развивалась, как часть военно-промышленного комплекса, теперь же имеет место явная конкурентная борьба с другими типами энергетики. Однако в этом соревновании различных способов энергопроизводства невозможно оказаться единоличным победителем — уж очень много различных требований предъявляется к энергетическому производству. Единственный тип энерготехнологий не может удовлетворить всем этим требованиям. Для удовлетворения нужд потребителей нужно не взаимоисключение, а сосуществование, сотрудничество нескольких способов производства энергии, каждый из которых наиболее эффективен в разных режимах работы. Трудно ответить на вопрос, что важнее: масло или хлеб? Оба эти продукта равно важны для питания и здоровья человека. То же можно сказать о двух важнейших типах энергопроизводства — атомной и угольной энергетике. Поэтому сегодня очевидно, что нельзя рассматривать атомную энергетику, как альтернативную угольной, тепловой энергетике, основанной на новых технологиях.

В основу нашего стратегического выбора должны быть положены нужды потребителя энергии. И энергетика должна удовлетворять эти запросы оптимальным образом, учитывая все требования — эффективности и экономичности энергопроизводства, и безусловного сохранения экологии. Н вопрос, есть ли сейчас такие технологии энергопроизводства, мы уже знаем ответ: как сказано выше, в качестве базовой должна развиваться надежная, устойчивая и экономичная атомная энергетика; в качестве основной регулирующей энергетики, способной надежно покрывать пиковые и полупиковые нагрузки (части графика электропотребления), должна использоваться экологически чистая, абсолютно безотходная новая технология работы угольных электростанций. Сегодня можно уверенно говорить о том, что, примерно через 10-15 лет, мы будем способны в массовом масштабе развивать новые энергетические производства.

Кстати, эти новые технологии сумеют и заметно понизить цену тепловой электроэнергии. В настоящее время энергия, произведенная на АЭС, в среднем в 1,16 раза дешевле , произведенной на нынешних ТЭС. Правда, представители основного нашего энергопроизводителя, РАО ЕС, недавно заявили, что по их методикам расчета АЭС не выдерживают конкуренции на ФОРЭМ с тепловыми станциями. Однако судить о конкурентоспособности АЭС и ТЭС можно только сопоставляя удельные общие затраты на генерацию и развитие, т.е., отнесенные к полному объему отпускаемой с шин электростанции энергии. Если придерживаться единого подхода для обоих типов электростанций, то средневзвешенная цена энергии с АЭС (данные 2001 года) с учетом затрат на развитие составит 352 руб на 1 кВт ч. По всем ТЭС средневзвешенная цена составит 408 руб на кВт ч. При этом важно учесть, что затраты на развитие атомной энергетики существенно превышают аналогичные затраты в традиционной энергетике.

И, что важно напомнить, ресурсы органического топлива на планете не безграничны, особенно быстро исчерпываются наиболее богатые и доступные месторождения. Поскольку приходится все чаще разрабатывать месторождения труднодоступные, требующие для разработки больших затрат или содержащие низкокачественные ископаемые, следует ожидать повышение цены топлива для традиционной энергетики. Между прочим, и требования экологической безопасности производства определенным образом влияют на повышение стоимости энергии. Так, в резюме совещания ООН, посвященного мировым топливно-экологическим проблемам, говорится, что, с учетом влияния ценообразования на инвестиционный климат, необходимо повышение стоимости топлива и, соответственно, повышение стоимости электроэнергии. Эти деньги предполагается потратить на улучшение экологии, страдающей в результате применения устаревших уже традиционных технологий тепловой энергетики. Не лучше ли тратить эти деньги на разработку и внедрение новейших безотходных технологий? Добавим, впрочем, что стоимость ядерного топлива растет медленнее, поскольку технологии его добычи, обогащения и вторичного использования быстро совершенствуются. Так как темп роста цен ниже, значит, и стоимость произведенной энергии будет меньше. Но что же мешает нам и в тепловой энергетике в ближайшем будущем перейти к эксплуатации экологически чистых и экономичных энергоагрегатов? Нет сомнений, что оба основных партнера — производителя энергии — должны и могут удовлетворять всем требованиям трех “Э”.