Эффективные технологии для тепловой энергетики.

В последние десятилетия наметился глобальный тренд стабилизации, а в отдельных случаях и роста доли тепловых электростанций (ТЭС) в генерации энергии. Работающие за счет сжигания ископаемого топлива (угля, нефтепродуктов или природного газа) теплоэлектростанции сохраняют свою конкурентоспособность, несмотря на развитие атомной и альтернативной энергетики. Ввиду рисков аварий на атомных электростанциях, высокой стоимости используемых в ветровой энергетике редкоземельных металлов в будущем доля теплоэнергетики в мировом энергобалансе может увеличиваться. Главные проблемы современных ТЭС — низкая эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую при сжигании топлива и недостаточная маневренность (неспособность быстро изменять выдаваемую в сеть мощность). Новые технологии и материалы позволят в ближайшие десятилетия преодолеть эти недостатки и значительно повысить эффективность угольных, мазутных и газовых электростанций. Среди наиболее перспективных технологических решений для ТЭС — энергоблоки, рассчитанные на суперсверхкритические параметры пара, гибридные энергоустановки с совмещенными газовым и паровым циклами и высокооборотные газовые турбины малой мощности.

ЭНЕРГОБЛОКИ, РАССЧИТАННЫЕ НА СУПЕРСВЕРХКРИТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПАРА

Роль угля как ключевого энергоносителя повышается на фоне увеличения потребления энергии в развивающихся странах, многие из которых лишены запасов нефти и газа и не могут позволить себе массовый импорт этих дорогих энергоносителей. Однако у большинства угольных ТЭС коэффициент полезного действия (КПД) невысокий — 35-40%.

Повышение КПД угольных теплоэлектростанций до 45-47%, а в перспективе до 52-55%, позволит сократить удельный объем вредных выбросов в атмосферу на единицу мощности и снизить стоимость вырабатываемой энергии. Добиться этого можно за счет широкого внедрения энергоустановок, рассчитанных на суперсверхкритические параметры пара (ССКП), то есть на давление более 30 МПа и температуру более 560°С. К 2015 году в рамках энергопрограммы Европейского союза «Thermie» планируется создание угольного энергоблока с КПД около 55%, рассчитанного на параметры пара 37,5 МПа и 700-720°С.

МАНЕВРЕННЫЕ ГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ С СОВМЕЩЕННЫМИ ГАЗОВЫМ И ПАРОВЫМ ЦИКЛАМИ

По мере роста энергопотребления актуализируется проблема управления пиковыми нагрузками в электросетях и минимизации рисков каскадных аварий. Быстро менять вырабатываемую мощность в широких пределах и покрывать пиковые нагрузки могут гидроаккумуляторные и гидроэлектростанции. Но первых еще недостаточно и, кроме того, их использование связано с дополнительными потерями энергии, а для строительства вторых природные возможности во многом уже исчерпаны. На современных тепловых электростанциях применяются, в основном, паротурбинные генерирующие установки. Намного маневреннее газотурбинные, у которых лопатки турбины вращаются не паром, а непосредственно продуктами сгорания топлива. Причем от запуска и выхода на полную мощность до остановки газовой турбины проходят минуты, а парового агрегата — часы. Газотурбинные установки имеют недостаток — высокое удельное потребление топлива на единицу выработанной электроэнергии.

Сократить расход топлива можно путем создания единого парогазового агрегата. В такой установке остаточная теплота продуктов горения природного газа, прошедших через газовую турбину, используется для производства водяного пара, приводящего в движение паровую турбину. Коэффициент полезного действия подобной установки достигает 55-60% (у газотурбинной не превышает 35%).

АВТОНОМНЫЕ МИКРОТУРБИННЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

Объединять объекты генерации и потребителей в единые энергосистемы целесообразно в регионах с высокой плотностью населения и развитой промышленностью. На малозаселенных территориях (например, в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке России) более выгодны технологии локальной генерации. Особенно актуальны для таких территорий когенерационные установки, вырабатывающие и электроэнергию, и горячую воду для централизованного отопления и горячего водоснабжения. Для небольших мини-ТЭЦ в районах децентрализованной энергетики, а также для резервных энергоустановок на стратегических объектах целесообразно применять микротурбины мощностью до нескольких мегаватт, которые способны работать на различных видах горючего газа и жидкого топлива.

Электрический коэффициент полезного действия микротурбинных энергетических установок составляет 25-30%, коэффициент использования топлива (в зависимости от степени преобразования тепла сбросных газов для нагрева воды) — 70%. Наиболее перспективными считаются микротурбины малой мощности (десятки киловатт). По сравнению с генераторами, созданными на базе дизельных или газопоршневых двигателей внутреннего сгорания, такие установки имеют большую маневренность, пониженный уровень вредных выбросов и более длительный ресурс автономной работы. Однако их производство в России пока не налажено.

Наиболее перспективными считаются микротурбины малой мощности (десятки киловатт). По сравнению с генераторами, созданными на базе дизельных или газопоршневых двигателей внутреннего сгорания, такие установки имеют большую маневренность, пониженный уровень вредных выбросов и более длительный ресурс автономной работы. Однако их производство в России пока не налажено.

Источник: Мониторинг глобальных технологических трендов от Института статистических исследований и экономики знаний Высшей школы экономики в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ.

Материалы подготовлены с использованием системы интеллектуального анализа больших данных iFORA, созданной ИСИЭЗ НИУ ВШЭ. Более детальную информацию о результатах исследования можно получить в ИСИЭЗ НИУ ВШЭ.