2. Методы уменьшения выбросов углекислого газа в теплоэнергетике
Выбросы углекислого газа самые значительные – на его долю приходится около 82% эмиссии всех парниковых газов. Современная топливная энергетика наряду с транспортом и сельским хозяйством является одним из основных загрязнителей атмосферы CO2 – энергетический сектор дает около 25% антропогенных выбросов. В связи с этим во многих странах разрабатываются следующие методы снижения выбросов диоксида углерода на электростанциях:
увеличение КПД ТЭС;
применение систем Carbon capture and storage (CCS) – систем улавливания и хранения углекислого газа;
развитие атомной энергетики, гидроэнергетики, а также нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НиВИЭ).
Согласно прогнозам, в ближайшем будущем основным топливом станет уголь. По этой причине наибольшее развитие могут получить твердотопливные электрические станции – ПГУ IGCC/CCS(IGCC– Integrated Gasification Combined Cycle –внутрицикловая газификация) и пылеугольные ТЭС cсистемами CCS.
Ожидается, что к 2030 году КПД пылеугольных ТЭС может возрасти с 45% до 49% при снижении удельных капитальных затрат (УКЗ) на строительство.
Таблица 1- Динамика развития угольных ТЭС.
Однако повышение эффективности энергетических установок приведет лишь к снижению темпов увеличения концентрации СО2 в атмосфере и не решит проблему глобального потепления. Внедрение же систем CCSк 2015–2020 гг. позволит свести к минимуму выбросы углекислого газа, но неизбежно вызовет значительное увеличение УКЗ на строительство, затрат на собственные нужды и как следствие снижение КПД и рост стоимости электроэнергии как на пылеугольных ТЭС с системой CCS, так и на ПГУ IGCC/CCS.
2.1. Системы улавливания и хранения углекислого газа и действующие станции
Классификация. Система CCS может быть организована при работе котла на воздухе или кислороде двумя способами: улавливанием до сжигания топлива (Pre Combustion Capture) и после (Post Combustion Capture). При использовании технологии связывания углерода после сжигания топлива в воздухе весь поток уходящих газов направляется в систему абсорбции CO2. Данный процесс хорошо освоен в химической промышленности. В случае сжигания топлива в кислороде (процесс Oxyfuel) сепарация уходящих газов, состоящих в основном из СО2 и водяных паров, будет осуществляться путем их конденсации.
Технология связывания углекислого газа до сжигания топлива также хорошо освоена в химической промышленности. Использовать ее предполагается на ПГУ IGCC/CCS. Там очищенный синтез-газ будет преобразован в водород и СО2 в реакторе водяного сдвига. Отделение углекислого газа будет осуществляться в системе абсорбции или мембранном реакторе. В стадии разработки находится технология конверсии синтез-газа в СО2 и водорода с использованием химических циклов.
Разработка двухстадийных схем с газификацией твердого топлива и депонированием СО2 осуществляется по двум вариантам. По первому из них работают известные ПГУ IGCC/CCSпо технологии Pre-Combationcapture, а по второму разрабатывают проект ПГУ IGCC/ Oxyfuelcapture, которую предлагает компания CES на ТЭС Kimberlina(США, Калифорния). В этом проекте продукт кислородной газификации – очищенный синтез-газ (смесь CO, CO2, H2) – будет дожигаться в смеси с кислородом в камере сгорания газовой турбины. Выхлопные газы турбоагрегата, состоящие из углекислого газа и водяных паров, будут сепарироваться методом конденсации.