ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Россия один из мировых лидеров по обеспеченности первичными энергоресурсами, но ее экономика отличается высокой энергоемкостью и низкой энергоэффективностью. Экономический рост потребует в перспективе для России в 2,53 раза большей энергии.
Важным показателем уровня технологического развития общества является отношение потребления первичной энергии к ВВП и потребление первичной энергии на душу населения. На рис.
3.7 даны соответствующие диаграммы, которые показывают значительное отставание России от ведущих стран.
Стоимость всей индустриальной энергии, получаемой в мире в виде электричества, тепла и перемещения транспортных средств, оценивается в 3 трлн долл. в год. Из них 1,6 трлн долл. уходит на производство пищи, 720 млрд на оборону и военные расходы, 470 млрд долл. на туризм.
Кроме того, индустриальная энергия обеспечивает работу 1 млрд телевизоров, 600 млн автомобилей, 700 млн мобильных телефонов, 350 млн компьютеров.
Из 6,3 млрд человек населения планеты треть (свыше 2 млрд человек) вообще лишена индустриальной энергии. Четверть населения мира потребляет почти всю производимую энергию.
В США потребляется 8,7 т нефтяного эквивалента на человека в год (это эквивалентно 20 т угля, или 15 тыс. м3 газа); в Японии 4,3 т; в Германии 4,3 т; в Великобритании 4 т; в России 2 т. Энерговооруженность труда в России ниже, чем в развитых странах, что обусловливает более низкую производительность труда.
В балансе первичных источников энергии России (рис. 3.8) лидирует природный газ (46%), что вполне оправдано крупнейшими в мире запасами газа; нефть и нефтепродукты занимают 34%, уголь 14%, АЭС 2%.
В США структура баланса иная: лидируют нефть и нефтепродукты (40%), за ними идут уголь и природный газ (по 23%).
На рис. 3.8 показаны доли первичных источников энергии в энергетических балансах России и США.
В обеих странах основными первичными источниками энергии являются нефть (нефтепродукты) и природный газ, в сумме 80% в России и 63 % в США. Доля ВИЭ в России незначительна, в США 3,3%.
Доля атомной энергии в России 2%, в США 8%.
Российская энергетика сегодня это сложная инфраструктура действующих и строящихся объектов для производства, преобразования и передачи электроэнергии. В основном для производства электроэнергии и тепла в России используются различные виды ископаемого топлива (в большинстве случаев углеводородного).
В то же время помимо теплоэлектростанций существующая инфраструктура включает несколько гидро- и атомных электростанций, объединенных в общую энергетическую сеть.
Российская энергетика сегодня это:
- 600 ТЭС установленной мощностью 150 ГВт (69%);
- 16 ГЭС установленной мощностью 45 ГВт (21%);
- 10 АЭС (31 энергоблок) установленной мощностью 23,2 ГВт (11,5%).
Общая установленная мощность всех электростанций России составляет 219 ГВт, в том числе РАО ЕЭС 150 ГВт (68%). Около 69% электроэнергии производится ТЭС, использующими углеводородное топливо: природный газ 64%; уголь 29%; мазут 7%.
В 2005 г. Россия потребила 939 млрд кВт ¦ ч электроэнергии. Общее количество годовой выработки электроэнергии всеми электростанциями России составляет около 1000 млрд кВт ¦ ч, тепла более 800 млн Гкал. Прогноз темпов роста спроса на электроэнергию: к 2010 г. 1200 млрд кВт ¦ ч, к 2015 г. 1426 млрд кВт ¦ ч.
Ниже проводится краткий анализ тенденций развития генерирующих мощностей системы энергообеспечения России и возможности инновационных технологий совместного производства электроэнергии и водорода.
ТЭС на органическом топливе. Эффективность протекания цикла Ренкина (используется сейчас на всех паросиловых ТЭС) с перегревом пара зависит от трех параметров:
- давления пара на входе в паровую турбину;
- температуры перегретого пара на входе в паровую турбину;
- давления влажного пара на выходе из турбины.
В паросиловом цикле Ренкина в полезную механическую энергию превращается только 39% сообщенной пару тепловой энергии. Применение регенеративных циклов (рекуперация тепла) позволяет увеличить КПД цикла Ренкина на 10-15%.
Проектируемые крупные паротурбинные установки (ПТУ) со сверхкритическими параметрами пара (600С; 25-30 МПа) имеют КПД 43-44%, а с суперкритическим давлением и температурой пара до 800С 55%. Переход к суперкритическим параметрам пара ограничивается стойкостью конструкционных материалов парогенераторов и паропроводов.
В газотурбинных установках (ГТУ) начальные температуры газа достигают 1500С, однако КПД не превышает 3536%. Радикальное повышение КПД обеспечивается за счет использования бинарного цикла в парогазовой установке (ПГУ), включающего ГТУ и ПТУ В ПГУ тепло, содержащееся в продуктах сгорания после газовой турбины, используется в паротурбинной ступени.
Термический КПД общего цикла бинарной ПГУ более 60%.
Инновационные технологии угольной генерации. В ближайшие годы в тепловой энергетике должна произойти структурно-топливная перестройка постепенный отказ от сжигания природного газа и мазута и повсеместный переход к углю (новая угольная волна в энергетике). Основные инновационные технологии в угольной энергетике:
- прямое сжигание водоугольного топлива (ВУТ), которое способно эффективно заменить природный газ и мазут в большой энергетике;
- сжигание в циркулирующем кипящем слое (ЦКС) и в кипящем слое под давлением (КСД);
- газификация и конверсия угля, интегрированная с ПГУ (внутрицикловая газификация угля).
Процессы конверсии угля пригодны для производства как электроэнергии, так и водорода. Газификация твердого углеводородного топлива с учетом использования инновационных технологий позволит существенно продлить временной интервал использования газа.
На рис. 3.9 представлена схема получения водорода из угля методом газификации.
АЭС. Существующие в мире 440 АЭС дают 1516% мирового производства электроэнергии.
При этом доля атомной электроэнергетики в мировом энергобалансе составляет только 4%. В России 31 энергоблок АЭС мощностью 23,2 ГВт (11,5%) производит 150 млрд кВт ¦ ч электроэнергии в год (1617%) при коэффициенте использования установленной мощности (КИУМ) 75% (средний мировой уровень 86%).
В США 104 энергоблока АЭС мощностью 95 ГВт производят 790 млрд кВт-ч электроэнергии в год (20%) при КИУМ - 90,3%.
Все действующие в мире АЭС построены на базе тепловых ядерных реакторов с открытым топливным циклом. Они интенсивно расходуют запасы природного урана.
Недостатки действующих АЭС:
- получение только электроэнергии и низкопотенциального тепла (около 300С);
- неравномерность потребления энергии, производимой ядерным реактором.
Схема размещения АЭС России и типы используемых ими ядерных реакторов приведены на рис. 3.10.
Характеристики российских атомных электростанций (год введения в эксплуатацию, количество и мощность энергоблоков) приведены в табл. 3.1.
В конце XX в. доля атомной энергии в мировом энергопотреблении росла, но, согласно прогнозу, к 2030 г. она существенно снизится (рис. 3.11).
Ресурсная база ядерной энергетики. Объем извлекаемых мировых запасов урана 3,5 млн т. Все действующие АЭС
Характеристика действующих АЭС России (23,2 ГВт)
| Таблица 3.1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Россия одна из немногих стран мира, представленная на рынке атомной энергетики полным ядерным циклом от добычи урана до утилизации отработанного топлива. Однако сырье слабое звено в российской продуктовой линейке. Необходимо реализовать возможности отечественной ядерной энергетики по замыканию топливного цикла и расширенному воспроизводству ядерного топлива при использовании в качестве сырья урана и тория.
Основным сырьем, содержащим торий, является монацит. Россия обладает огромными запасами тория.
В России намечена долгосрочная программа развития атомной энергетики, предусматривающая введение двух, а в перспективе трех атомных реакторов в год. На реализацию программы намечено выделить из бюджета около 25 млрд долл.
3.3. Технологии электрохимического преобразования энергии и распределительной генерации основа энергетики будущего
Наиболее перспективные меры в технологическом, экономическом и экологическом отношении при переходе к полностью водородной энергетике взаимопроникновение водородных и атомных технологий. Иными словами, можно говорить о переходе от существующей энергетики к атомно-водородной энергетике.
Атомно-водородная энергетика
Кардинальное решение проблем будущей энергетики связано с крупномасштабным производством на базе высокотемпературной атомной энергетики не одного, как сейчас, а двух энергоносителей: электричества и водорода (рис. 3.13).
Основа такой энергетики высокотемпературные газоохлаждаемые (гелиевые) реакторы (ВТГР), которые обеспечивают:
- высокий температурный потенциал производимого тепла (до 10001200С);
- высокий КПД при выработке электроэнергии;
- безопасность и минимальные загрязнения как произведенного продукта, так и окружающей среды;
- минимальные тепловые сбросы, сокращение потребления и отказ от охлаждающей воды;
- возможно более высокие мощности в одном энергоблоке.
Схема получения водорода в ядерной энергетике показана
на рис. 3.13. Водород по этой схеме производится в установках высокотемпературного электролиза, термохимического
разложения воды, а также традиционными способами электролизом воды и паровым риформингом метана.
В структуре АЭС будут меняться типы ядерных реакторов, и возрастет их КПД (табл. 3.2).
На рис. 3.14 даны КПД использования различных видов углеводородного топлива в традиционных энергетических установках (ПТУ, ГТУ и ПТУ), а также в электрохимических энергетических установках на основе ТЭ.
Из приведенных результатов расчетов КПД хорошо видно явное преимущество электроустановок на ТЭ, которое достигается за счет более высокого КПД (непосредственное преобразование химической энергии в электричество, минуя тепловые и механические фазы превращения). Кроме того, такие ЭУ, используемые в системе распределенного (децент-
Типы ядерных реакторов и их КПД
| Таблица 3.2 | ||||||||||||||||||||||||
|
В итоге общий КПД установок с электрохимическим преобразованием топлива в электрическую энергию составит от 36% для электрической энергии до 90% в случае использования электрической и тепловой энергии.
Нарис. 3.15 представлена энергетическая диаграмма работы ЭУ с твердополимерными топливными элементами (ТПТЭ).
На рис. 3.16 представлена структура централизованной и распределительной энергетической системы, существующая сегодня в России. Вырабатываемое на электростанциях электричество передается по магистральным линиям электропередачи напряжением более 550 кВ через распределительные сети напряжением от 6 до 40 кВ к конечным потребителям промышленным объектам, а также в жилищные и социальнобытовые учреждения городов и населенных пунктов РФ.
Кроме электрического энергоснабжения населения необходимым условием для нормального функционирования промышленных и коммунальных объектов является обеспечение их теплом.
Тепло еще один структурный вызов энергетике России. 33% энергии в России потребляется в виде тепла, 70% которого вырабатывается в централизованных системах. Самые эффективные источники тепла несут недостаточную тепловую нагрузку, тарифы на тепло для промышленного и потребительского секторов завышены в результате перекрестного субсидирования. Монополия ТЭЦ на теплоснабжение потребителей ведет к высокому износу оборудования и потерям, низкой договорной дисциплине и неплатежам. Котельные находятся в основном в государственной или муниципальной собственности, характеризуются низким КПД, высокими непроизводственными издержками. За всю эту систему потребители и бюджеты (в виде дотаций) переплачивают 4 5 млрд долл. в год без каких-либо гарантий надежности снабжения теплом.
Электроэнергетическая система будущего
Россия с ее необозримыми пространствами и богатейшими месторождениями природного газа является одним из самых перспективных в мире и наиболее емких рынков водородных технологий и топливных элементов, а также систем децентрализованного распределенного энергоснабжения на их основе.
Это чрезвычайно важно для России, так как от 50 до 70% ее территории не охвачено централизованным энергоснабжением (на этой территории проживает более 20 млн человек). Кроме того, около 25 млн российских семей имеет загородные дома, которые, как правило, не подключены к системе.
За рамками централизованного энергоснабжения находится и около 5 млн индивидуальных фермерских хозяйств.
Не охвачены централизованным электро- и теплоснабжением удаленные изолированные потребители, значительная часть северных территорий страны и особенно восточных регионов. На территории Севера сейчас эксплуатируется свыше 10 тыс. мелких дизельных электростанций, ежегодная потребность которых в топливе превышает 2 млн т. Цена доставляемого туда дизельного топлива превышает 1,5 тыс. долл. за 1 т, что приводит к очень высокой для России себестоимости вырабатываемой электроэнергии (около 0,35 0,50 долл. за 1 кВт-ч).
Особенно актуально внедрение систем распределительной генерации электричества и тепла на базе когенерационных энергоустановок с топливными элементами при осуществлении реформ жилищно-коммунального хозяйства и агропромышленного комплекса, а также при реализации национального проекта Доступное жилье.
Электрохимические установки с ТЭ незаменимы при строительстве новых малоэтажных поселков.
Когенерационные энергоустановки на топливных элементах могут работать как в автономном, так и в параллельном режиме, то есть интегрироваться в централизованные системы энергоснабжения и передавать часть производимой ими электроэнергии и тепла в городскую или локальную сеть. Такие энергетические установки могут быть как основными источниками тепла и электричества, так и резервными, обеспечивающими покрытие пиковых нагрузок.
На рис. 3.17 представлена электроэнергетическая система, которая может стать преобладающей к середине XXI в. при реализации стратегии инновационного прорыва.
Более детальная структура этой системы представлена на рис. 3.18 и 3.19.
Важнейшим направлением развития, повышения эффективности и надежности энергообеспечения, особенно коммунальных объектов, является распределительная когене-рация совместное производство электричества и тепла на автономных энергоустановках в местах энергопотребления (рис. 3.20).
Россия один из самых перспективных в мире и наиболее емких рынков водородных технологий и топливных элементов. В первую очередь это относится к сфере распределительной децентрализованной энергетики.
Особенно, если учесть, что для обеспечения работы электрохимических энергоустановок с топливными элементами достаточно подвести к ним только природный газ (сетевой или сжиженный в баллонах), на выходе получить электроэнергию и тепло, а при необходимости и холод.
Рис. 3.17. Схема электроэнергетической системы будущего
Имеющееся в России почти все энергетическое оборудование и используемые технологии генерации электричества и тепла безнадежно устарели и на их место неизбежно должны прийти новые технологии, а также высокоэффективное и надежное энергетическое оборудование на основе широкого использования топливных элементов различных типов. Ненадежное централизованное энергоснабжение и отсутствие автономных резервных источников электроэнергии становится опасным как для экономики России, так и для ее населения.
Частые отключения электроэнергии и нарушения теплоснабжения требуют принятия срочных дорогостоящих мер. Большая часть оборудования электростанций и теплотрасс находится в аварийном состоянии.
Локальная газораспределительная станция Распределение при среднем и высоком давлении рХГДД/ Счетчик Подъезд малоэтажного дома или малосемейный дом
От городской газораспределительной станции
Рис. 3.18. Структура системы распределительного энергоснабжения (электричество, тепло, газ) Газораспределительная сеть
ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
В настоящее время даже в полностью газифицированных регионах России существование большой энергетики технико-экономически в большинстве случаев ничем не оправдано и объясняется только историческими причинами.
Большая часть малых и средних предприятий, а также жилой фонд России получают электроэнергию от Единой электроэнергетической системы, а тепловую энергию для отопления, горячего водоснабжения и технологических нужд от котельных, работающих, как правило, на природном газе или от ТЭЦ, также использующих в качестве топлива природный газ. В то же время экономное и высокоэффективное использование природного газа может быть обеспечено только при комбинированной выработке тепла и электроэнергии когене-рационными энергетическими установками на малых теплоэлектростанциях (ТЭС).
Принципиальной особенностью теплоснабжения систем в России в отличие от электроснабжения является их функционирование в границах небольших территорий (город, населенный пункт, квартал). Централизованными сейчас считаются теплоснабжающие системы мощностью 20 МВт и более. Они чаще всего относятся к электроэнергетике.
Теплоснабжающие системы мощностью менее 20 МВт считаются децентрализованными и, как правило, относятся к жилищно-коммунальному хозяйству. В настоящее время централизованным теплоснабжением охвачено от 70 до 90% жилого фонда крупных городов России.
