Глава 2. Мировые тенденции потребления энергетических углей.
2.1. Современное состояние потребления энергетического угля в мире.
Производство электроэнергии является основным направлением использования угля, однако его использование в каждой отдельной стране существенно зависит от наличия и структуры собственных топливно-энергетических ресурсов. Так, например в Австралии в потреблении первичных энергоресурсов в производстве электроэнергетики доля угля составляет около 55%, в Японии это 22% (Википедия) (см. также рис. 8)
Рис. 7. Структура производства электроэнергии в странах мира по типам станций, данные на 2008 г. Примечание: данные по Евросоюзу представлены для границ в 2004-2007 гг.
В мире в целом среди используемых первичных энергоресурсов в производстве электроэнергии доля угля наибольшая, она составляет 40,2 % (Источник: IEA). В Индии, КНР, Тайване, Австралии, США и Южной Корее доля угольной генерации превышает среднемировой уровень и находится в диапазоне от 40 до 79,9%.
Карта 1,2 – Анаморфоза мировой добычи угля за 2000 и 2009 г.
Карта 3. Анаморфоза мирового потребления угля, 2009 г.
Карта 4. Международный рынок угля, 2009 г.
Основной причиной сохранения угля в качестве одного из основных первичных энергоресурсов в мире не только в прошлом, но и в будущем развитии мировой энергетики является его доступность и наличие огромных подтверждённых запасов. При этом глобальной проблемой использования угля является высокий уровень загрязнения окружающей среды продуктами его сжигания. Поэтому современное состояние и перспектива сохранения угля в качестве одного из основных энергоресурсов напрямую зависит от уровня экологической частоты его использования.
Таким образом можно разбить страны использующие уголь на следующе типы:
Разные страны с жесткими экологическими стандартами (страны Западной Европы, Япония)
Страны с низкой доступностью и конкурентоспособностью газа по сравнению с углём (Япония, Южная Корея, страны Западной Европы,). Это прибрежные страны, т.к. уголь дёшево возить по морю, а мировой рынок газа пока находится в процессе формирования – мощностей заводов по сжижению газа и ёмкости газовозов пока недостаточно для удовлетворения потребностей развитых стран Западной Европы и новых индустриальных стран Восточной Азии.
Развитые страны в связи с экономической эффективностью (США)
- Страны, которые сохранили угольную генерацию по историческим причинам (Германия). Там угольные ТЭС появились с конца XIX в. Даже сейчас, когда добыча угля в Сааре, Руре и Саксонии почти остановилась, немцы завозят уголь из развивающихся стран. И ссылку на карту с рынком угля. На ней как раз видно, что уголь из развивающихся стран ведёт в 3 ареала развитых стран (Северная Америка, Западная Европа, Япония с Южной Кореей)
2.2. Современные тенденции в угольной промышленности
Первыми кто ощутил необходимость снижения загрязнения воздуха продуктами сжигания угля – это промышленно развитые страны: прежде всего США и страны Западной Европы, которые использовали и продолжают использовать уголь в больших объемах. Эти страны еще в 80-х годах прошлого столетия приступили к организации системной работы по борьбе с загрязнением окружающей среды. Для чего были разработаны и внедрены так называемые чистые угольные технологии (Clean Coal Technologies), или кратко CCT.
Стимулом к повышению эффективности использования угля явился энергетический кризис 1973 и 1979 гг. Большинство промышленно развитых стран опасались чрезмерной зависимости от импорта первичной энергии и вероятности повторения в будущем ограничений в доступе к источникам первичной энергии, прежде всего жидких углеводородов. По этим причинам США, как основной импортер нефти в мире, серьезно озаботились проблемой снижения своей зависимости от импорта нефти и возможностью ее решения путем замещения жидких топлив углем и дальнейшего увеличения производства электроэнергии на угле. Однако по мере стабилизации мирового энергетического рынка снизилась опасность чрезмерно большой зависимости от импорта нефти, но обострилась проблема снижения негативных последствий загрязнения атмосферы при увеличении выработки электроэнергии на угле.
В результате правительство США сделало выбор относительно необходимости развития научно-исследовательских и проектных работ по созданию технологий и оборудования для экологически чистого использования угля и поручило Департаменту энергетики (DOE) приступить к формированию программы таких работ. Наряду с обеспечением охраны окружающей среды и повышением энергетической безопасности США за счет применения новых угольных технологий ставилась задача достижения необходимого уровня новизны и качества для обеспечения выхода создаваемого оборудования и технологий на мировой рынок.
Руководство работами по созданию ССТ осуществлялось Департаментом энергетики США через специальный отдел ископаемого топлива путем реализации широкого спектра программ (проектов), нацеленных на расширение использования местных углей, повышение эффективности и чистоты их использования при обеспечении минимальных затрат. Одним из основных условий успешного выполнения этих программ являлась организация взаимодействия с частными компаниями, правительствами отдельных штатов при планировании, координации и обеспечении выполнения исследовательских и конструкторских работ. При таком подходе еще на стадии разработки концепций обеспечивалась поддержка, и разделялись риски, связанные с разработкой и демонстрацией передовых технологий для их вывода на коммерческий уровень.
Проекты включали весь объем и последовательность выполнения необходимых работ от непосредственной разработки процесса или системы до демонстрации ее работоспособности посредством включения в состав специальной программы чистых угольных технологий (ССTDP), запущенной в 1986 г.
(www.netl.doe.gov/technologies/coalpower/cctc/cctdp/index.html)
В результате наиболее эффективные и перспективные разработки в области новейших процессов сжигания угля, угольной электрогенерации и средств контроля эмиссии выбросов, пройдя стадию демонстрационных проектов, длившуюся в среднем около 10 лет, получали одобрение для их дальнейшего коммерческого применения. Таким образом, программа демонстрационных проектов являлась своеобразным мостом, связывающим стадию НИР и ПКР (проективно-конструктивных работ) их последующее коммерческое использование на свободном рынке.
Вследствие того, что энергетические угли в США отличаются высоким содержанием серы и азота, которые при попадании в атмосферу образуют слабые растворы соответствующих кислот, выпадающие в виде так называемых кислотных дождей, на начальном этапе основной целью программ ССТ было создание способов и средств подавления выбросов SО2 и NO2 при сжигании угля. Несмотря на то что к началу 90-х годов потребление угля в США возросло на 60% по сравнению с уровнем середины 70-х годов, выбросы двуокиси серы снизились на 20% в результате внедрения разработанного в рамках ССТ-программ оборудования для подавления содержания серы при сжигании высокосернистых углей.
С учетом морфологических особенностей используемых в США углей основными направлениями в создании чистых угольных технологий явились разработки технологии сжигания углей в кипящем слое, как при атмосферном давлении, так и при использовании дополнительного давления, а также технологии с внутрицикловой газификацией угля. Обе эти технологии, по сравнению с технологиями пылеугольного сжигания, отличаются более мягкими требованиями к качеству используемого угля и позволяют эффективно бороться с образованием окислов серы.
Помимо разработки этих технологий в рамках ССТ-программ осуществлялись работы по повышению эффективности сжигания угля и снижению образования окислов азота, подготовке угля перед сжиганием, очистке и контролю эмиссии выхлопных газов, а также совершенствованию технологии сбора и утилизации золы и шлаков при различных технологиях сжигания угля. Кроме того, в ССТ-программы были включены работы по созданию альтернативных топлив на основе различного рода угольных суспензий для их использования взамен нефти и газа небольшими котельными, а также для возможного прямого использования в дизелях и турбинах.
Значительное место в программе создания чистых угольных технологий занимали проекты, связанные с совершенствованием процессов газификации угля и высокотемпературной очисткой производимого газа, имеющих важное значение как одного из основных процессов в технологиях кипящего слоя и внутрицикловой газификации, а так же в технологиях прямого получения синтетических жидких топлив из угля. Таким образом, созданию технологий прямого и косвенного перевода угля в синтетические топлива отводится значительное место в программе чистых угольных технологий, а в целом, все перечисленные инновационные технологии должны сформировать технологическую основу для эффективного и экологически чистого использования угля в текущем столетии (что является ответом на страшилку, про то что будет когда закончится нефть)
В дополнение к существующей демонстрационной программе ССТDР, первые 13 проектов которой были завершены в 1996 г, в начале 2000-х годов DОЕ приступил к реализации сразу двух программ - Роwer Plant Improvement Initiative (РPII) и Сlean Соal Power Initiative (ССРI). Департамент энергетики США обеспечивал 50% объема финансирования при реализации демонстрационных проектов в области чистых угольных технологий. В настоящее время все три программы успешно завершены.
Программа РРII (http://www.netl.doe.gov/technologies/coalpower/cctc/PPII/index.html) была утверждена конгрессом США в 2000 г. для обеспечения коммерчески-демонстрационного применения на существующих ТЭС нового оборудования для чистого сжигания угля, необходимого для поддержки усилий по снижению выбросов тепличных газов и контроля затрат на топливо.
Программа ССРI была утверждена в 2001 г. для продвижения рекомендаций президентской национальной энергетической политики по увеличению инвестиций в чистые угольные технологии как способа для повышения надежности системы электроснабжения страны и защиты окружающей среды. Цель программы являлось расширение спектра коммерческого применения передовых технологий для подтверждения того, что США будут иметь чистую, надежную и доступную электроэнергию в длительной перспективе (http://www.netl.doe.gov/technologies/coalpower/cctc/ccpi).
Таким образом, ССTDР была первой программой в области создания чистых угольных технологий не только в США, но и во всем мире. В определенном смысле, это был первый шаг в движении к чистому использованию угля. В настоящее время эта программа себя исчерпала: были успешно реализованы 33 демонстрационных проекта, которые отвечают существующим экологическим требованиям, занимают определенную нишу на энергетическом рынке и создают техническую основу для обеспечения будущих требований по охране окружающей среды.
Применение чистых угольных технологий позволяет решать проблему эмиссии тепличных газов двумя основными путями. Первый путь ‑ это повышение эффективности процессов сжигания угля и снижения таким образом объема эмиссии СО2 за счет меньшего расхода топлива на единицу производимой продукции. Второй путь ‑ применение специальных способов и средств подавления образования окислов серы и азота, которые являются наряду с СO2 составной частью тепличных газов. В принципе, эти способы дополняют друг друга и в будущем, по мере промышленного освоения технологий секвестрации углерода, они станут органичными частями единой низкоуглеродной технологии выработки электроэнергии на ископаемом топливе. В настоящее время работы с возвращением эмиссии тепличных газов на угольных ТЭС в промышленном масштабе осуществляются исключительно путем повышения эффективности сжигания угля, поскольку технологии секвестрации углерода пока еще не вышли из стадии опытно-промышленных испытаний.
Суммируем вышесказанное: к перспективным технологиям в угольной энергетике можно отнести следующие направления:
Подготовка угля, направленная на снижение примесей, повышение теплотворной способности сырья (осушение бурого угля, очистка угля) и расширение видов его применения (газификация угля, производство угольной суспензии)
Инновации в сжигании угля, что позволяет снизить выбросы CO2 и NOx, и риск выпадения кислотных дождей (подробнее см. ниже, раздел 2.3.)
Очистка и утилизация выбросов и шлаков (захват выбросов паром)