CC BY
43
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
В.Ф. Бабкин, заведующий кафедрой, д.т.н. профессор,
Е.П. Евсеев, доцент, к.ф.-м.н., Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, г. Воронеж Ю.Н. Шалимов, научный руководитель лаборатории, д.т.н., профессор,
А.В. Руссу, заведующий лабораторией, Воронежский государственный технический университет,
г. Воронеж В.И. Кудряш доцент, к.ф.-м.н., Воронежский институт МВД России, г. Воронеж
Несмотря на вполне сформировавшееся представление об углеводородной энергетике как об основном и главном способе обеспечение энергией человека на Земле следует рассмотреть возможные перспективы ее развития. Острота проблемы определяется прежде всего состоянием экологической обстановки в энергетически насыщенных регионах нашей планеты. Понимая, что Киотский протокол появился не как праздная выдумка наиболее интеллектуальной части мирового сообщества, следует предпринять хорошо организованные усилия по выполнению его основных положений.
С другой стороны анализ практической деятельности многих энергоблоков электростанций на углеводородном топливе заставляет задуматься об образовавшихся на территории ТЭЦ и ГРЭС терриконов из золы и шлаков. Переход многих предприятий на газовое топливо, казалось бы, упростил технологические задачи энергетиков, но экологические проблемы хоть и видоизменились, но, тем не менее, остались.
Переход от паротурбинных агрегатов к газотурбинным позволил немного снизить водопотребление, но возникли новые проблемы в экологии и реализации новых газотранспортных систем. И, наверное, главная проблема углеводородной энергетики заключается не в ограниченности запасов углеводородов, а в отсутствии методов эффективного производства энергии с наименьшим влиянием на экологию региона.
Классическое представление о процессах получения тепловой и электрической энергии может быть представлено технологической последовательностью. Химическая энергия топлива в котле превращается в тепловую энергию пара. Затем пар поступает в турбину, в которой тепловая энергия пара преобразуется в механическую энергию (вращается ротор электрогенератора). В электрогенераторе механическая энергия преобразуется в электрическую. Тепловая энергия может быть получена в системе отбора паротурбинной установки узла РОУ (редукционно-охладительное устройство) и через теплоцентраль поступает к потребителю тепла. С электрогенератора электроэнергия поступает через систему электроснабжения к потребителю. Более подробно системы генерации энергии описаны в [1].
Следует отметить, что ТЭЦ и ГРЭС в основном работают на твердом
топливе. Поэтому повышению эффективности использования твердого топлива энергетики всегда уделяли особое внимание. Эволюцию процессов сжигания твердого топлива можно представить тремя укрупненными этапами: крупная фракция ^ мелкодисперсная фракция ^ водно-дисперсная фракция. В настоящее время экспериментально отрабатывается влияние формы факела на эффективное тепловой генерации в процессе сжигания твердого топлива [2]. Поскольку число работающих на углях ГРЭС и ТЭЦ составляют значительную долю в общем составе объектов углеводородной энергетики, то повышение качества их работы безусловно не только позволит сократить выбросы в атмосферу экологически опасных компонентов, но и позволит повысить их КПД и соответственно эффективность использования природных ресурсов.
В этом смысле в системах дожига твердых частиц углерода присутствуют все необходимы компоненты системы обращенного типа газогенератора: С02 и С. Поэтому для осуществления процесса С+С02 ^ 2С0 необходимо сконструировать системы транспорта оксида углерода в топочное пространство котельной установки. В другом варианте это может быть отдельный узел утилизации тепла. Это позволит снизить выбросы С02 в атмосферу на 20-30 %.
С другой стороны используя технологии газификации твердого топлива можно осуществить процесс получения тепловой и электрической энергии иной технологической цепочке. В этом случае можно отказаться от паротурбинного цикла, перехода к использованию газопоршневых машин. При этом энергопредприятия резко сокращают потребление водного ресурса. КПД газопоршневых агрегатов можно несколько повысить за счет увеличения теплотворной способности генераторного газа.
В газогенераторной установке из угольного концентрата осуществляется процесс газификации, в результате которого возможно протекание следующих реакций:
С + 02 ^ С02 + 408 кДж/моль С + 1/202 ^ С0 + 123,2 кДж/моль С + С02 ^ 2СО + 161,5 кДж/моль С +Н20 ^ С02 +Н2 - 136,3 кДж/моль С0 + Н20 ^ С02 +Н2 + 42,8 кДж/моль
Кроме вышеуказанных процессов возможно образование смол. Их количество и свойства определяются спецификой формирования угольного пласта. Этот факт может стать определяющим при разработке конструкции газификатора. Смольные остатки должны быть удалены из состава газовой смеси как компонента подлежащего утилизации.
Анализируя характер протекания отдельных процессов можно установить, что вероятность их реализации главным образом будет определяться температурой, концентрацией реагирующих компонентов, а также возможностью осуществления катализа.
Таким образом, в традиционной углеводородной энергетике проблема повышения эффективности процессов газификации пока далека от завершения и требует дополнительной проработки.
Далее, согласно технологической последовательности генераторный газ
поступает в смеситель генераторного газа, основное назначение которого -балансировка топлива по химическому составу для обеспечения постоянной теплотворной способности топлива. Конструктивно этот узел является одним из самых сложных. В технологической цепочке ему отводится главная роль, так как от устойчивости и надежности его работы зависит качество работы всей системы в целом. Этот узел обеспечивает топливом все агрегаты.
Такой подход позволит пересмотреть некоторые устоявшиеся понятия в углеводородной энергетике такие как затраты на собственные нужды. Этот показатель зависит не только от мощности энергетического комплекса, климатических условий, но в значительной мере определяются типом (видом) энергоносителя. Учитывая новые подходы к формированию технологических схем энергопредприятий можно снизить не только затраты на собственные нужды, но и в значительной мере снизить влияние их на экологическую обстановку в регионе.
Взаимосвязь 3-х показателей эффективности работы энергетических систем: энергетика, экономика, экология - является мультипликативной. То есть:
Энергетика X Экномика X Экология = const
Представим, в какой взаимосвязи будет находиться фактор энергетики (количество возобновляемой энергии) с экономикой и экологией. Увеличив для наглядности вдвое экономические затраты, представим гипотетическое изменение уровня экологической безопасности. Исходное постоянство произведения должно при этом сохраниться. Будем считать что основные финансовые затраты будут направлены на реализацию природозащитных технологий. Тогда фактор влияния на экологию будет вдвое меньше. Из данного представления следует, что для снижения фактора воздействия на экологию необходимо проведение дополнительных мероприятий позволяющих сохранить природные ресурсы. В качестве дополнительных мер по повышению экологической безопасности можно рассмотреть также идею создания защитной зеленой зоны на предприятии в отдельном промышленном секторе.
Безусловно, такое представление взаимосвязей лишь в каком-то приближении отражают частичную картину, но, тем не менее, позволяет оценить общий характер взаимосвязи этих основных факторов. Не следует забывать, что при реализации критических технологий удельный вклад каждого фактора может измениться, но общая картина, тем не менее, будет сохраняться.
Представим теперь, что в принятой модели мы увеличили мощность энергоустановки вдвое, следовательно при соблюдении пропорциональности всех трех факторов мы должны вдвое увеличить и материальные затраты. Тогда при условии сохранения постоянства объекта возрастает фактор воздействия на энергетическую систему. Таким образом, логика представленной модели проявляется в полной мере.
Следующий вопрос: грозит ли нам энергетическая катастрофа? Эта проблема, обозначенная на уровне заявлений официальных представителей экономической науки (Г. Греф), подтолкнула общественность России к
обсуждению этой проблемы на уровне средств массовой информации. Как всегда, высказываются предположения людьми абсолютно далекими от энергетики и науки. По нашему мнению такого типа «всенародные» обсуждения ничего кроме вреда не приносят. Что стоит за предложением одного из представителей этого кворума о расширении работ по внедрению технологии добычи сланцевой нефти. Да ничего, кроме полного отсутствия элементарных представлений об этих технологиях! Авторы этих «уникальных» технологий у себя на родине (США) давно отказались от этих методов, поскольку это прямой и короткий путь к экологической катастрофе. Вседозволенность и пустозвонство никогда не должны становиться отличительной чертой нашего человека. Проводниками компетентности и знаний должны стать не ток-шоу, направленные на увеличение кассовых сборов, а научно-популярные журналы и передачи, в материалах которых известные ученые в актуальной форме будут доносить до сознания людей основные проблемы науки и техники, а также реальные пути их достижения.
Что же касается ответа на поставленный вопрос, то энергетическая катастрофа в обозначенном будущем человечеству не грозит. Анализируя диаграмму разведанных запасов углеводородов, приведенную на рисунке 1, можно высказать предположение, что основные усилия научного сообщества будут направлены не столько на поиски новых источников, сколько на изыскание новых резервов повышения эффективности энергетических процессов. В частности необходимо восполнить пробелы в разработке технологий возобновляемых источников энергии.
Рис. 1. Диаграмма запасов ископаемых углеводородов [3]
Одними из актуальных задач современной углеводородной энергетики являются снижение последствий воздействия предприятий энергетики на объекты природы, разработка технологий обеспечивающих совместную работу предприятий традиционной и альтернативной энергетики. Такой симбиоз позволит не только повысить устойчивость работы действующих энергосистем, но и обеспечит новое их качество - жизнестойкость.
На рисунке 2. представлен мобильный комплекс по переработке отходов сельскохозяйственного производства. При его работе на территориях удаленных от населенных пунктов он обеспечивает полный завершенный цикл переработки отходов в электрическую и тепловую энергию. При этом предусмотрен вариант технологии получения синтетического жидкого топлива, что позволяет исключить необходимость передачи тепловой энергии на расстояния.
Рис. 2. Мобильный комплекс переработки отходов сельхозпроизводства
Различия в прогнозах по ископаемым запасам углеводородов приводит к появлению необоснованных проектов, осуществление которых граничит с абсурдом. Оптимальное решение энергетической проблемы осуществляется в рамках сотрудничества государств обладателей энергоресурсов. Для этой цели должна быть разработана программа с представителями науки и бизнеса. А принцип «рынок все отрегулирует» для решения этой проблемы, по меньшей мере, некорректен. Проблемы ресурсосбережения и экологии должны решаться с обязательным учетом нравственных принципов. Тем более при решении вопроса суверенитета и безопасности. Рыночные законы вряд ли обеспечат эти главные условия государственности.
Главная перспектива развития углеводородной энергетики в настоящее время состоит в том, чтобы максимально эффективно использовать природные запасы недр, свести к минимуму технологические издержки, по иному оценить возможности безотходных технологий производства с завершенным циклом переработки.
При всей привлекательности и перспективах развития солнечной энергетики углеводородные ресурсы еще долго будут оставаться одной из
важнейших компонент энергетики, постепенно уступая свои позиции водородной, которая будет постоянно сопутствовать цивилизации, пока будет наличествовать задача переработки органических отходов.
Список использованной литературы
1. Поспелов Г.Е. Электрические системы и сети: [учеб. для энергетических спец. вузов] / Поспелов Г.Е., Федин В.Т., Лычев П.В., под ред. Федин В.Т. -Минск: Технопринт, 2004. - 710 с.
2. Зельдович Я.Б. Теория горения и детонации газов. Академия наук СССР ИХФ, 1944. - 70 с.
3. http://utmagazine.ru/posts/8752-zapasy-nefti-i-gaza
