CC BY
16В.М. ЗАИЧЕНКО, А.Ю. КРЫЛОВА, А.А. ЧЕРНЯВСКИМ
V.M. ZAYCHENKO, A.Y. KRYLOVA, A.A. CHERNYAVSKY
О «ЛИШНЕИ» ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
В МАГАДАНСКОЙ ОБЛАСТИ
Виктор Михайлович ЗАЙЧЕНКО
г. н. с., ОИВТ РАН e-mail: [email protected]
Victor ZAYCHENKO
ch.sc.of., JIHT RAS e-mail: [email protected]
Аннотация. Представлена информация о структуре топливно-энергетического баланса Магаданской области. Отличительной особенностью данного региона нашей страны является наличие излишков производимой электроэнергии. В основном, эта электроэнергия производится гидроэлектростанциями, расположенными на территории Магаданской области. Рассмотрены различные направления возможного использования «лишней» электроэнергии. Наряду с существующими предложениями использования данной электроэнергии для производства водорода для экспортных поставок, рассмотрена возможность получения определенных химических продуктов с использованием водорода, которые также могут являться предметом экспорта. Практическая реализация предлагаемого комплекса мероприятий позволит отработать новые технические решения по производству экологически чистых и энергоэффективных продуктов, которые при современном уровне развития технологий являются востребованными и могут быть впоследствии использованы и в других регионах страны.
Ключевые слова: энергетический баланс, биомасса, пиролиз, торрефакция,гидротермальная карбонизация, водород.
В России действует Единая энергетическая система (ЕЭС), которая представляет собой совокупность объектов электроэнергетики и энергопринимающих установок, связанных единым режимом работы. ЕЭС России охватывает практически всю обжитую территорию страны и является крупнейшим в мире централизованно управляемым энергообъединением. Энергетические сети позволяют обеспечивать электроэнергией огромные территории. Вместе с тем, в отдельных регионах страны, замкнутых и удаленных от центральных областей, мо- ^^^^^^^^^^^^^ жет наблюдаться «избыток» электроэнергии при отсутствии возможности её экспорта в другие регионы. К таким объектам, в частности, относится Магаданская область.
Магаданская область входит в состав Дальневосточного федерального округа и относится к районам Крайнего Севера. Площадь области - 462,5 тысяч км2. Регион характеризуется труднодоступностью,
изолированностью большую часть года, суровыми природно-климатическими условиями и слож-
Низкая себестоимость электроэнергии в энергосистеме Магаданской области позволяет реализовать ряд высокоэффективных проектов
УДК 620.9
Алла Юрьевна КРЫЛОВА
г. н. с.,
ИНХC им. А.В. Топчиева e-mail: [email protected]
Alla KRYLOVA
ch.sc.of., TIPS RAS e-mail: [email protected]
THE «EXCESS» ELECTRICITY
IN THE MAGADAN REGION
Адольф Александрович ЧЕРНЯВСКИЙ
г. с., ОИВТ РАН
Adolf CHERNYAVSKY
Ch. s., JIHT RAS
Abstract. Information is presented on the structure of the fuel and energy balance of the Magadan Region. A distinctive feature of this region of our country is the presence of surplus electricity produced. Basically, this electricity is produced by hydroelectric power plants located in the Magadan Region. Various directions of the possible use of «excess» electricity are considered. Along with existing proposals for the use of this electricity for the production of hydrogen for export, the possibility of obtaining certain chemical products using hydrogen, which may also be exported, has been considered. Practical implementation of the proposed set of measures will allow to develop new technical solutions for the production of environmentally friendly and energy-efficient products, which are in demand at the current level of technology development and can subsequently be used in other regions of the country.
Keywords: energy balance, biomass, pyrolysis, torrefaction, hydrothermal carbonization, hydrogen.
ностью рельефа. Железнодорожное сообщение отсутствует.
Генерирующие мощности Магаданской энергосистемы включают в себя [1]:
- тепловые электростанции - Аркагалинскую ГРЭС (АрГРЭС) и Магаданскую ТЭЦ - (МТЭЦ) с установленной мощностью 224 МВт (в настоящее время вырабатывает только 47 МВт) и 96 МВт;
- гидроэлектростанции - Колымскую ГЭС (КГЭС) и Усть-Среднеканскую ГЭС - с установленной мощностью 900 МВт и 310,5 МВт;
- автономные дизельные электростанции (ДЭС) населенных пунктов общей установленной мощностью 18,9 МВт.
По состоянию на 1 января 2019 года установленная мощность объектов генерации Магаданской энергосистемы (без ДЭС населенных пунктов) составляла 1530,5 МВт, располагаемая мощность 1234 МВт, потребность региона в электроэнергии в полном объеме покрывается каскадом Колымских ГЭС.
Топливо для угольных и дизельных электростанций в основном привозное из других регионов России:
- аркагалинский (местный) уголь - 56,8 тыс. тонн;
- кузнецкий (дальнепривозной)уголь -248,5 тыс. тонн;
- мазут («северный завоз») - 0,35 тыс. тонн;
- дизельное топливо («северный завоз») -
0,043 тыс. тонн. Стоимость доставки дальнепривозного топлива в Магаданскую область оказывается дороже стоимости самого этого топлива. Большие за-
траты на дизельное топливо привели к высокой себестоимости производства электроэнергии на удалённых автономных ДЭС, которая доходит до 30-80 руб./кВтч (30-80 тыс. руб./МВт-ч). Но, вместе с тем, усреднённая себестоимость производства электроэнергии в Магаданской области многие годы не превышала 40-50 руб./МВт-ч (0,03-0,05 тыс. руб./МВт-ч). В последние годы эта себестоимость возрастает из-за значительного снижения нагрузок электростанций, которые стали работать почти вхолостую.
Электроснабжение Магаданской области идет от Колымской и Усть-Среднеканской ГЭС. Они могут производить самую дешевую электроэнергию в мире. Себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии - 20-40 руб./МВт-ч
Основное электроснабжение потребителей в Магаданской области (95 %) осуществляется от Колымской и Усть-Среднеканской ГЭС, которые могут производить самую дешевую электроэнергию в мире. Усредненная себестоимость электроэнергии в энергосистеме области, по предварительной оценке, не выше 20-40 руб./МВт-ч. Энергосистема Магаданской области является избыточной. Произведённая в Магаданской области электроэнергия в основном расходуется: на полезный отпуск
(67,3 %), на собственные нужды электростанций (7,7 %), на производственные нужды энергосистемы (11,7 %), на потери в сетях (13,3 %). В настоящее время энергосистема Магаданской области имеет внешнюю связь только с одним энергоузлом (Ой-мяконским улусом Якутии).
В перспективе возможно присоединение к энергосистеме Магаданской области энергопринимаю-щих устройств Баимского горно-обогатительного комбината (ГОК) в Чукотском автономном округе с заявленной присоединяемой нагрузкой 220 МВт. Предполагается также, что в обозримом будущем может произойти прирост электропотребления в горнодобывающей промышленности за счёт освоения новых месторождений цветных металлов и угля, а также за счёт перевода огневых котельных, использующих в качестве печного топлива мазут, на выработку тепловой энергии с использованием электрокотлов индукционного типа.
Низкая себестоимость электроэнергии в энергосистеме Магаданской области позволяют реализовать ряд высокоэффективных мероприятий, направленных на оздоровление окружающей среды.
Переход на использование электрических котлов
В системах теплоснабжения (горячее водоснабжение, отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха) в округах и районах области, а также на отдельных крупных предприятиях целесообразно использовать простые и недорогие электрические котлы взамен котлов, работающих на угольном или дизельном топливах. Для этих целей можно использовать серийные автоматические электрокотлы с применением теплоэлектронагревателей (ТЭНов), электродных и индукционных нагревателей. Выбор типа электрического котла следует осуществлять в каждом отдельном случае с детальным ^^^^^^^^ анализом финансово-коммерческой эффективности реконструкции котельных с отказом от использования традиционных твердотопливных или жидкотопливных котлов. При этом, помимо экономии дорогостоящего органического топлива, эффективность реконструкции будет определяться также возможностью работы электрокотельных полностью в автоматическом режиме без постоянного присутствия оперативного обслуживающего персонала, а также с полным исключением вредных выбросов в атмосферу вредных оксидов углерода, азота, серы и пр. В Магаданской области уже имеется успешный опыт подобной реконструкции водогрейных котельных с использованием высокоэффективных индукционных электрических котлов.
Переход на частичную замену ископаемого угля на возобновляемое сырье (биоуголь)
Сырьем для производства биоугля могут служить различные виды местной биомассы (торф, отходы лесоразработок, иловые осадки полей аэрации и т. д.). Полученный биоуголь может быть использован для замены части топлива, потребляемого ТЭС, с целью оздоровления окружающей среды и сокращения расходов на доставку дальнепривозного угля.
Известно, что биоуголь можно получать из биомассы пиролизом, торрефакцией или гидротермальной карбонизацией. Существенным отличием этих методов является используемая среда, то есть протекает ли реакция в отсутствии или в присутствии воды. Преобразование биомассы под воздействием температуры в сухой атмосфере (пиролиз) - наиболее распространённый метод получения биоугля. Пиролиз повсеместно используется для производства древесного
В отдельных регионах страны, замкнутых и удаленных от центральных областей, может наблюдаться «избыток» электроэнергии при отсутствии возможности её экспорта в другие регионы
угля, выход которого составляет 20-33 %. В мире выпускается до 100 млн т древесного угля в год. Пиролиз, как правило,требует предварительной сушки перерабатываемого сырья.
Торрефакция - мягкий пиролиз, протекающий при 250-350 °C, целью которого является повышение теплотворной способности путём удаления ^^^^^^^ влаги и разложения высокореакционных компонентов органической массы. Главным преимуществом торрефицированного продукта является высокая калорийность: теплотворная способность древесины достигает 18-19 МДж/кг, древесного угля - 30-33, а торрефиката - 22-23 МДж/кг. Кроме того, выход древесного угля при пиролизе составляет всего 28-35 % от сухой древесины, аторрефиката - 60-70 %. Торрефи-кат в меньшей степени подвержен гниению и самовозгоранию, чем исходное сырьё.
Процессы, происходящие в воде («гидротермальные») хорошо подходят для влажного сырья, например, иловых осадков. Гидротермальная карбониза-
ция - процесс получения биоугля (или «гидроугля») при температуре 180-220 °С и давлении до 25 атмосфер в присутствии воды без доступа воздуха и с добавлением катализатора. Суть метода заключается в удалении из биомассы содержащегося в ней кислорода под воздействием воды и температуры. По завершении процесса в реакторе образуется густая суспензия, состоящая из угля в порошкообразном состоянии и воды.
В таблице 1 приведены условия осуществления термических процессов переработки биомассы и продукты, получаемые этими методами.
Перевод удаленных районных дизельных электростанций на водород
Возможность использования дешевой электроэнергии позволяет организовать замену дорогостоящего дизельного топлива на значительно более дешёвый водород, который может быть получен хорошо известным методом - электролизом воды. В России серийно выпускаются автоматические электролизёры большой производительности, которые могут быть использованы для этих целей. Аналогичное оборудование имеется и у за-
рубежных партнеров. Освоено серийное производство ресиверов большой ёмкости и высокого давления для хранения водорода в сжатом виде, водородных компрессоров, а также специальных резервуаров для хранения водорода в сжиженном виде при отрицательных температурах. Серийно выпускаются специальные ^^^^^^^^^^^^^ автозаправщики сжиженного водорода. Возможна реконструкция существующих газопоршневых электроагрегатов для перехода на газовое топливо на базе водорода. Обеспечение надежной работы газопоршневых агрегатов на водороде исследовано в Объединённом институте высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) [2, 3].
Учитывая расположение Магаданской области, может быть рассмотрен вопрос о поставках в Японию водорода, получаемого за счёт дешёвой электроэнергии от Колымской
Магаданская область может поставлять в Японию водород, получаемый за счёт электроэнергии Колымской и Усть-Среднеканской ГЭС
Таблица 1. Режимные параметры осуществления процессов термического превращения биомассы и получаемые продукты
Процесс ■ Условия Продукты, мас.%
Т,' Время Твердые Жидкие Газы
Пиролиз
медленный ~400 часы 35 30 35
средний ~500 10-20 С 20 50 30
быстрый ~500 1-3 С 12 75 13
Торрефакция ~300 1-2 ч 60 20 20
Гидротермальная карбонизация ~200 10-20 ч 80 17 3
и Усть-Среднеканской ГЭС. Предварительный расчёт показывает, что поставки водорода по ценам даже в 2-3 раза ниже мировых будут выгодны и для Магаданской области и для Японии.
Получение химической продукции
Наличие дешёвого водорода дает возможность использовать местное органическое сырьё (уголь, торф, вторичную биомассу) для производства продуктов высокой добавленной стоимости, в частности, экологически чистого дизельного топлива, высших спиртов и т. д. Экспорт этих продуктов может оказаться более выгодным по сравнению с возможным экспортом водорода.
Процессы, используемые для этих целей, могут протекать в одну или несколько стадий. К одностадийным процессам относится, в частности, гидрогенизация. Многостадийные процессы обычно включают стадии газификации сырья с получением
смесь углеводородов различных рядов - аналог природной нефти. Гидрогенизация твёрдого сырья может быть использована для получения бензина и дизельного топлива - полных аналогов соответствующих нефтепродуктов, что позволит снизить количество завозимого топлива. К настоящему времени в промышленном масштабе процесс реализован в Китае.
Качество продуктов гидрогенизации можно значительно улучшить если использовать в качестве сырья биоуголь, в котором содержится значительно меньшее количество вредных примесей. Сырьём для производства биоугля могут быть различные виды биомассы, в частности, иловые осадки сточных вод, присутствующие в каждом населённом пункте. Иловые осадки - взвешенная в воде биомасса, образующаяся в хранилищах сточных вод. Это сложное сообщество микроорганизмов различных групп и некоторых многоклеточных животных. Иловые осадки формируются под влиянием сточной воды,
Магаданская ТЭЦ
синтез-газа (смеси оксида углерода и водорода), конверсию синтез-газа в углеводороды или спирты и облагораживание продукта-сырца с получением товарных продуктов.
Для отдалённых регионов нашей страны важную роль играет организация производства топлива на базе местного сырья, поскольку коммерциализация таких технологий позволит снизить «северный завоз» или даже полностью избавиться от него.
Гидрогенизация - «ожижение» твёрдого сырья посредством его взаимодействия с водородом при повышенных температурах (300-500 С) и давлениях (200-300 атм). В качестве сырья чаще всего используется уголь. Продуктом процесса является
растворённого в ней кислорода и температуры. Большую часть сухого вещества осадка (до 70-75 %) составляют органические вещества, в основном, белкового происхождения.
Для получения углеводородов топливного назначения и спиртов могут быть также использованы трехстадийные процессы, протекающие через стадию получения синтез-газа, например, путём газификации угля или биомассы. Газификация -хорошо освоенный в разных вариантах процесс, широко применяющийся для различных целей (в мире насчитывается около 300 промышленных установок, реализующих этот метод). Эффективная отечественная технология двухстадийной термиче-
ской конверсии биомассы предложена ОИВТ РАН [3]. На первой стадии производится пиролиз биомассы при 400-900ОС с получением газообразных, жидких и твёрдых продуктов. На второй стадии парогазовую смесь пропускают при 800-1000ОС через твёрдую углеродную фазу, образующуюся при пиролизе на первой стадии процесса. При этом, пирогенетическая вода, находящаяся в паровой фазе, взаимодействует с углеродом твёрдой фазы с образованием водорода и оксида углерода (син-
Интерес представляет использование метанола в качестве топлива на электростанциях в удаленных регионах, оборудованных газовыми турбинами с комбинированным циклом. Потребуется их небольшая модификация
тез-газа). Это обеспечивает безотходную переработку биомассы с получением высококалорийных энергетических газов. Основным достоинством технологии ОИВТ РАН является высокая степень конверсии перерабатываемой биомассы в синтез-газ (до 78 %). Получаемый по технологии ОИВТ РАН газ, в среднем, на 90-92 % состоит из водорода и окиси углерода.
Полученный синтез-газ может быть превращен в искусственные жидкие углеводороды через синтез Фишера-Тропша. Образующиеся при этом продукты по своим основным характеристикам практически полностью соответствуют нефтяным аналогам, но отличаются отсутствием серо-, азотсодержащих, а в ряде случаев, и ароматических соединений, что заметно повышает их экологическую ценность. Процесс обычно осуществляют в варианте «Синтез
средних дистиллятов», который предназначен для получения качественных моторных топлив (дизельного топлива и реактивного керосина). Технология включает две стадии: синтез высокомолекулярных парафинов (восков) и их последующую гидроизомеризацию. Процесс реализован на шести предприятиях (в ЮАР, Катаре, Нигерии, Малайзии, США) общей мощностью около 10 млн т в год.
Ценным химическим соединением, находящим широкое применение в различных отраслях промышленности, является метанол. Этот продукт имеет хорошие экспортные перспективы, особенно для восточных регионов нашей страны, поскольку восточные страны (Китай, Япония, Малайзия и др.) являются крупными экспортерами этой продукции.
Метанол может быть получен из синтез-газа с высокой эффективностью. Метанол производит более 90 предприятий в мире. В России функционируют 9 производителей метанола с суммарной мощностью установок 4 млн тонн в год. Три крупнейших производителя - «Метафракс», «Сиб-метахим» и «Томет». В последние годы большое значение придаётся созданию малотоннажных процессов, направленных на производство метанола. Основная цель таких проектов - решение проблемы образования гидратов на транспортных магистралях газодобывающей отрасли. Однако малотоннажные технологии производства метанола также могут быть применены для его получения из биомассы.
Значительный интерес представляет исполь-
зование метанола в качестве топлива на электро-
станциях, оборудованных газовыми турбинами с комбинированным циклом по топливу. По данным специалистов, потребуется незначительная модификация этих установок при переводе на метанол. Этот метод можно использовать для генерации энергии в отдалённых регионах.
Процесс «метанол в бензин» позволяет производить бензин из угля, биомассы или природного газа через стадию синтеза метанола. Эта технология была внедрена в Новой Зеландии. Получаемый этим методом бензин имеет октановое число 93,7 и может быть использован в качестве товарного продукта.
Перспективными продуктами, которые могут быть получены из синтез-газа являются также одноатомные спирты С6-С8, находящие применение в качестве флотоагентов, экстрагентов металлов, растворителей и других при обогащении и извлечении металлов. Создание предприятий по производству этих продуктов целесообразно в местах
Использованные источники
1. ПРИКАЗ «О размещении Схемы и Программы развития электроэнергетики Магаданской области на 2019-2023 годы в региональной информационной системе «Открытый регион»Министерства строительства, жилищно-коммунального хозяйства и энергетики Магаданской области. «08» мая 2019 г. № 1о8-од. г. Магадан.
развития горнодобывающей промышленности, как, например, в Магаданской области.
Итак, в настоящее время электростанции Магаданской области недогружены. Низкая себестоимость производимой в Магаданской области энергии позволяет рассматривать реализацию определенных организационно-технических решений, направленных на повышение эффективности энергетической системы. Такими мероприятиями, обеспечивающими получение добавочного дохода от использования имеющихся излишков производимой электроэнергии, могут быть следующие: использование электрических котлов и частичная замена ископаемого угля на возобновляемое сырье (биоуголь), перевод дизельных электростанций удаленных районов на водород, получение химической продукции (в частности, метанола, реактивного керосина,дизельного топлива, бензина, флотагентов).
2. ИвановМ.Ф., КиверинА.Д., СмыгалинаА.Е.,Зайченко В.М. Об использовании водорода в качестве топлива для двигателей в энергетическом цикле удалённых производственных объектов// Журнал технической физики. Том 88, вып. 1. 2018. С.147-150.
3. Зайченко В.М., Качалов В.В.,Лавренов В.А.,ЛищинерИ.И., Малова О.В. Получение синтез-газа из древесных отходов //Экология и промышленность России. №11,2016. С. 4-9.
