Энергобезопасность. Пути развития энергетики

Перспективы производства энергии с помощью ТЭС в XXI веке вызывают большие опасения по следующим причинам (рис. 1п). Во-первых, в ближайшие 50…70 лет два вида органического топлива - нефть и газ должны будут иссякнуть. Во-вторых, ТЭС являются главным источником выброса в атмосферу углекислого газа и создания парникового эффекта. В-третьих, сейчас в год добывается около 14 млрд. т. топлива.

Образование карбоксигемоглобина, препятствующего переносу О2 Образование парникового эффекта Разрушение озонового слоя и замедление процессов функционирования живых организмов Повышение влажности атмосферного воздуха Соединения, принадлежащие к ряду альдегида, бензола, кетона и этилена

Рис. П1.1. Воздействие человека на атмосферу при выделении

тепловой энергии

В XX веке из недр планеты было изъято порядка 500 млрд. т. топлива, что составляет 10¹³ массы Земли. Это может привести в будущем, наряду с парниковым эффектом, к непредсказуемым последствиям. Например, в экономически развитых странах на одного жителя в год расходуется приблизительно 10000 кВт·ч, электроэнергии. Это означает, что один житель условно должен иметь в своем распоряжении генератор мощностью в 2 кВт, который работает 5000 часов в течение года. Численность населения Земли растет, и уже достигла 6,6 млрд. человек. Энергопотребление не обнаруживает тенденции к уменьшению - напротив, скорость его увеличения постоянно растет. Например, в одном только Китае планируется использование до 2025 г. количества угля, достаточного для выделения в атмосферу 3 Гт углекислого газа в год, т.е. более половины годового антропогенного выброса СО₂ в настоящее время. А сжигание всех разведанных месторождений угля и нефти увеличит содержание углекислоты в атмосфере до 2000 Гт, что в 3 раза превышает его содержание в атмосфере в настоящее время. Технологическая схема энергопроизводства представлена на рис. 2п.

Рис. 2п. Принципиальная технологическая схема энергосистем

Принятые обязательства не превышать выбросы парниковых газов относительно базового уровня будут сдерживающим фактором роста экономики. Плата за загрязнение атмосферы будет расти, что связано с ростом себестоимости продукции. В тепловой электроэнергетике в ближайшие 30 лет должна произойти структурно-топливная перестройка: постепенный отказ от сжигания мазута и газа и повсеместный переход к углю, запасы которого в мире при современном уровне добычи оцениваются в 300…400 лет. В связи с этим в оборот введен даже такой термин как «новая угольная волна». Переход к углю в технологическом, экологическом и экономическом плане вызывает огромные проблемы. Перспективными являются два способа использования угля на ТЭС: прямое сжигание угля в кипящем слое под давлением и с газификацией угля, дальнейшей глубокой очисткой искусственного газа и продуктов его сжигания.

1. Энергоресурсы:	2. Вторичные энергоносители:	3. Конечные виды энергии:
• нефть;	• электроэнергия;	• электрическая;
• газ;	• моторные топлива;	• тепловая;
• уголь;	• мазут;	• механическая;
• уран 235/238;	• метанол;	• химическая.
• ВИЗ;	• водород;
• и т.д.	• и т.д.

Подводя итоги этого анализа, можно привести высказывание академика В.И. Субботина о том, что наступает переходный период от нефти как главного, наиболее удобного и хорошо освоенного источника энергии к другим, технологически более сложным и опасным источникам энергии и, прежде всего, к ядерной энергии и каменному углю.

Энергетика и экология

Проблема антропогенных выбросов СО₂ с технической точки зрения решаема даже сегодня: международная группа экспертов по изменению климата при ООН составила реестр 105 технологий, исключающих или значительно снижающих выбросы углекислоты. Ряд их исследований показывает, что можно добиться снижения эмиссий парниковых газов на 10…30% почти бесплатно только за счет энергосбережения.

Экологические проблемы становятся определяющими в подходах к путям дальнейшего развития общества. Деятельность человека, особенно техногенная, может вызвать непредсказуемую реакцию природы, связанную с изменением климата. Антропогенные выбросы парниковых газов сильно увеличивают перепад температуры. Во-первых, потому что в холодных областях (т.е. непрогреваемых Солнцем) увеличение концентрации углекислоты не повысит температуру, в то время как в нагретых Солнцем областях - повысит. Во-вторых, выбросы парниковых газов, в свою очередь, распределяются неравномерно по поверхности Земли, причем, как правило, совпадая с сильно поглощающими солнечную энергию антропогенными ландшафтами. Увеличение перепадов температур вызовет и усиление ветров, которые в некоторых местностях в силу рельефа и направлений течения рек будут вызывать наводнения.

Уменьшение воздействия на окружающую природную среду возможно не только за счет ввода новых энергетических мощностей, но и за счет применения энергосберегающих технологий. Это позволит сэкономить не только первичные энергоресурсы, но и

очень важный природный ресурс - кислород воздуха. Повышение экономичности выработки электроэнергии может быть достигнуто за счет более широкого использования газовых турбин - на парогазовых ТЭС.

Понятие «водородная энергетика» неразрывно связано с периодами так называемого энергетического кризиса, когда обостряется проблема с запасами органического топлива, и, прежде всего дешевого топлива, которые на Земле ограничены, а темпы их расходования столь велики, что заставляют задуматься об альтернативных системах энергообеспечения человечества. Жизнь на нашей планете поддерживается за счет двух основных источников: внешнего - солнечного излучения в объеме 1,5 х 10⁹ млрд. кВтч в год, и внутреннего, основой которого является энергетика, производящая в год 1,35 х 10⁴ млрд. кВтч электроэнергии. Наиболее важные количественные показатели мировой энергетики говорят о том, что:

• 64% электроэнергии производится с помощью ТЭС, работающих на сжигании органического топлива;

• 18% производимой в мире электроэнергии связаны с более экологически чистым и постоянно возобновляемым на Земле источником - кинетической энергией воды (ГЭС);

• 17% электроэнергии производится за счет ядерного топлива (АЭС), запасы которого пока не ограничены;

• и менее 1 % - прочие виды производителей энергии.

В настоящее время набирает силу новая отрасль промышленности - водородная энергетика и технология. Потребность экономики в водороде идет по нарастающей. Ведь это простейшее и легчайшее вещество может использоваться не только как топливо, но и как необходимый сырьевой элемент во многих технологических процессах. Он незаменим в нефтехимии для глубокой переработки нефти. Без него не обойтись: в химии при получении аммиака и азотных удобрений, а в черной металлургии с его помощью восстанавливается железо из руд.

Такие существующие виды органического топлива, как газ, нефть и уголь, тоже служат сырьем в этих или подобных процессах, но еще полезнее извлечь из них самый экономный и чистый энергоноситель - тот же водород.

Водород - идеальный экофильный вид топлива. Очень высока и его калорийность - 120 МДж/кг, что в 3 раза выше калорийности бензина. Он легко транспортируется по газопроводам, потому что у него очень малая вязкость. По трубопроводу диаметром 1,5 м. с ним передается 20 тыс. МВт мощности. Перекачка легчайшего газа на расстояние в 500 км почти вдесятеро дешевле, чем передача такого же количества электроэнергии по линиям электропередачи. Как и природный газ, водород пригоден на кухне для приготовления пищи, для отопления и освещения зданий. Чтобы продемонстрировать его возможности, американские ученые построили «водородный дом», в котором для освещения использовался водород. Передавать водород в жидком виде - удовольствие очень дорогое, так как для его сжижения нужно потратить почти половину энергии, содержащейся в нем самом. Кроме того, должна быть обеспечена идеальная теплоизоляция трубопровода, так как температура жидкого водорода очень низка.

Как топливо водород сжигается в двигателях ракет и в топливных элементах для непосредственного получения электроэнергии при соединении водорода и кислорода. Его можно использовать и как топливо для авиационного транспорта. Сейчас в мире получают около 30 млн. т. водорода в год, причем в основном из природного газа. Согласно прогнозам, за 40 лет производство водорода должно увеличиться в 20…30 раз. Предстоит с помощью атомной энергетики заменить нынешний источник водорода - природный газ на более дешевое и доступное сырье, т.е. на воду. Здесь возможны два пути. Первый путь традиционный, с помощью электрохимического разложения воды. Второй путь менее известен. Если нагреть пары воды до 3000…3500°С, то водные молекулы развалятся сами собой.

Оба способа получить водород из воды пока дороже, чем из природного газа. Однако природный газ дорожает, а методы разложения воды совершенствуются. Через какое-то время водород из воды станет дешевле. В отдельных случаях и сейчас выгодно получать водород с помощью электролиза в ночные часы, когда

имеется лишняя и дешевая электроэнергия.

Водородное аккумулирование энергии

Конкурентоспособность водородного аккумулирования энергии может быть увеличена за счет резкого повышения КПД использования водорода, что возможно в случае применения энергоустановок на базе химических источников тока. Однако современное состояние в этой области не позволяет реально рассчитывать на возможность создания электростанций подобного типа необходимой мощности в ближайшей перспективе.

Отметим некоторые особенности рассмотренных вариантов развития энергосистем с водородным аккумулированием энергии. Определяющее влияние на сравнительную экономику этих вариантов оказывает следующий факт. Посредством сжигания водорода может быть получено только приблизительно 30% электроэнергии, вырабатываемой гидроаккумулирующими электростанциями (ГАЭС), при одном и том же потреблении электроэнергии в режиме заряда ГАЭС и при производстве водорода. Для компенсации оставшихся 70% электроэнергии за счет тепловых электростанций требуется привлечение в европейскую часть страны дополнительно значительного объема органического топлива. Даже в случае экономической эффективности водородного аккумулирования энергии по сравнению с ГАЭС этот факт сам по себе мог бы быть существенным препятствием для его развития. Ввод АЭС вместо полупиковых электростанций с целью снижения потребности в органическом топливе приводит к значительному увеличению избыточной мощности в энергосистемах в ночные часы. Это требует установки дополнительных электролизеров для решения проблемы прохождения ночного провала графика электрической нагрузки. Увеличение избыточной мощности при вводе АЭС вместо полупиковых электростанций составляет 25…30% от вытесняемой зарядной мощности ГАЭС.

Рассмотрены вопросы наиболее эффективного применения электролитического водорода, производимого из электроэнергии, которая может быть дополнительно выработана на угольных КЭС в периоды их разгрузки, и используемого вместо мазута. Поставленная задача определяется решением двух указанных выше направлений применения водорода:

• развитие водородного аккумулирования энергии с целью ее перерегулирования в суточном разрезе;

• оценки возможностей замены мазута на угольных КЭС водородом.

Одна из главных причин увеличения расхода мазута на угольных КЭС является ухудшение качества поставляемого угля. Кроме того, мазут используется для пуска энергоблоков как из горячего состояния после остановки на ночь, так и из холодного состояния после более длительной остановки на выходные дни. Учитывая, что качество угля, сжигаемого на электростанциях, в ближайшие годы, видимо, будет ухудшаться, а число пусков агрегатов увеличиваться, следует ожидать сохранения тенденции увеличения доли мазута в структуре топливопотребления угольных КЭС.

Производство электролитического водорода из электроэнергии, которая дополнительно может быть выработана на электростанциях в периоды их намечаемой разгрузки, может уменьшить величину снижения нагрузки энергоблоков. Это позволит одновременно снизить расход мазута, направляемого на стабилизацию процессов горения в котлах при частичных нагрузках и на растопку энергоблоков. Полученный водород может быть использован как топливо вместо мазута в энергосистемах.

Анализ покрытия перспективных графиков нагрузки по энергосистемам европейской части позволяет оценить количество часов догрузки располагаемых мощностей и возможности дополнительной выработки электроэнергии в период снижения нагрузки блоков. При определении технико-экономических показателей производства водорода на КЭС были выбраны четыре типа электролизеров: отечественный электролизер ФВ-500 с КПД 55% и зарубежные электролизеры с КПД: 63, 75 и 85% (General Electric). Усредненное значение относительного прироста расхода топлива для угольных блоков 160…300 МВт при их догрузке в диапазоне от 70 до 100% установленной мощности составляет 270 т.у.т./кВтч. При указанном удельном расходе топлива для производства 1 т у.т. водорода не-

обходимо будет израсходовать угля на выработку дополнительной электроэнергии для различных электролизеров соответственно в т у.т.: 4 (КПД 55%); 3,5 (63%); 2,9 (75%) и 2,6 (85%). Если учесть все технологические стадии (сжигание угля и выработка электроэнергии, электролиз воды, сжигание водорода), то суммарный КПД выработки электроэнергии с использованием водорода (без учета потерь энергии на транспорт и хранение водорода) составит, соответственно по типам электролизеров, от 8,8 (КПД 55%) до 13,6% (КПД 85%).

Анализ покрытия графиков нагрузки энергосистем показывает, что разгрузка угольных блоков в выходные дни по сравнению с рабочими днями составляет примерно 50%. В соответствии с этим при выборе мощности электролизеров принято, что устанавливаемая мощность электролизеров равна 50% мощности электростанций, участвующих в покрытии максимума нагрузки нормального рабочего дня. При заданных КПД электролизера и удельных капитальных затратах расчетные затраты на производство водорода определяются числом часов догрузки мощности электростанций и величиной стоимости электроэнергии (топливной составляющей). Капитальные затраты на производство водорода включают стоимость электролизных модулей, вспомогательных компонентов и подсистем, трансформаторов и выпрямителей, подготовку площадки и строительство, монтаж оборудования.

Основная проблема водородного аккумулирования заключается в следующем. Режим производства и потребления водорода на электростанциях будет неравномерным. Для использования водорода необходимо иметь соответствующую емкость водородохранилища. В рассматриваемых случаях использования водорода будет иметь место, по-видимому, отбор водорода из хранилища лишь в рабочие дни недели. Производство водорода и одновременная загрузка хранилища будут, в основном, происходить в периоды снижения нагрузки. Таким образом, будет действовать недельный график хранения.

Анализ различных методов хранения водорода показывает, что для рассматриваемых условий могут применяться подземные емкости в отложениях каменной соли и большие стационарные резервуары. Оценки затрат на сезонное хранение водорода в емкостях в отложениях каменной соли известны. Однако для недельного графика хранения водорода они не могут быть использованы, поскольку, хотя и известны капитальные затраты на создание самих емкостей, отсутствуют данные по затратам на создание скважин, компрессорного оборудования, на эксплуатацию.

Кроме того, в случае удаления хранилища от КЭС потребуются дополнительные затраты на транспорт водорода в хранилище и из него при резко переменных режимах получения водорода на КЭС и его отбора из хранилища. Окончательный вывод об эффективности использования водорода на угольных КЭС должен основываться на показателях выработки и хранения водорода.

Производство водорода

Водородная энергетика бурно развивается, но требуются большие энергетические расходы для получения водорода. Тандем «ядерный реактор - водородный генератор» - претендует ныне на роль энергетического лидера в экономике XXI века. Однако существенной проблемой до сегодняшнего дня остается неэкономичность его промышленного производства. Более 600 фирм, компаний, концернов, университетских лабораторий и общественных научно-технических объединений Западной Европы, США, Австралии, Канады и Японии усиленно работают над удешевлением. Успешное решение этой важнейшей задачи революционным образом изменит всю мировую экономику и оздоровит окружающую среду.

Есть целый ряд известных способов разложения воды: химический, термохимический, электролиз и др., но все они обладают одним и тем же крупным недостатком - в технологическом процессе получения водорода используется высокопотенциальная энергия, на получение которой в свою очередь затрачивается дефицитное ископаемое топливо (уголь, природный газ, нефтепродукты) или электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях. Такое производство водорода, естественно, всегда будет оставаться неэкономичным и экологически опасным, а, следовательно, бесперспективным.

Вместе с тем наша планета в буквальном смысле слова купается в потоке тепловой энергии, поступающей от Солнца, из земных недр и от хозяйственной деятельности человека. Вся проблема сводится лишь к тому как «вписать» этот, неиссякаемый источник низкопотенциального тепла в промышленную технологию получения водорода из воды. Поэтому встает вопрос о концентрации низкопотенциальной энергии до необходимых термодинамических параметров.

Традиционно он решается применением оптических концентраторов инфракрасного излучения Солнца (собирающие линзы, зеркала и т.п.) или использованием тепловых насосов, обычно, когда термический потенциал весьма незначителен, например, в случае отбора тепла из окружающей воздушной или водной среды. Первое из названных технических решений очень сильно зависит от климатических и масштабных факторов, нестабильно во времени, а поэтому не нашло широкого применения. Второе решение в меньшей степени подвержено влиянию этих факторов, но не обеспечивает достаточно высокой степени концентрации (обычно не более 7…10 раз), что на практике не позволяет сконцентрированное таким способом рассеянное тепло успешно использовать в процессе разложения воды.

На первый взгляд, это направление развития энергетики просто неосуществимо. Однако решение проблемы становится очевидным, если процесс электролиза водного раствора электролита и последующее сжигание полученного водорода и кислорода рассматривать как единый замкнутый термодинамический цикл теплового насоса. Причина расточительной затраты электроэнергии при классическом электролизе кроется в том, что она используется на преодо­ление сил гидратных связей ионов с молекулами воды и компенсацию эндотермического эффекта реакции ее разложения. Поэтому для обеспечения восстановления ионов на соответствующих электродах необходимо приложить большее напряжение, чем в случае, когда не проявлялась бы это физическое явление. По этим причинам, затраты электроэнергии на выработку одного кубометра водорода с учетом перенапряжения при традиционном электролизе в промышленных условиях составляют 18…21,6 МДж, а общий расход энергии (с учетом производства самой электроэнергии) превышает 50 МДж, что делает водород недопустимо дорогим.

Водород в настоящее время производится в широких масштабах (в газообразном виде) и используется в народном хозяйстве - в химической промышленности, в металлургии и в нефтеперерабатывающей промышленности, в частности, для процессов гидроочистки, гидрирования и гидрокрекинга реактивных топлив. Жидкий водород используется в ракетной технике. Водород получается, в основном, в результате переработки - конверсии природного газа (метана).

Процесс протекает в три стадии:

1. Конверсия метана парами воды при высокой температуре с катализаторами: СН₄ + Н₂0 → СО + ЗН₂ - 207 кДж. В результате получается «водяной газ» (смесь окиси углерода с водородом);

2. Конверсия окиси углерода водяным паром при высокой температуре с катализаторами: СО + Н₂0 → С0₂ + Н₂ + 41 кДж;

3. Очистка водорода (поглощение С0₂ адсорбентом и замораживание остатков С0₂ при t ←79 °С).

Более перспективным в отношении расходования природных ресурсов является способ производства водорода с помощью газификации угля. Общая схема процесса соответствует и во многом повторяет процесс конверсии метана:

1. С+Н₂0 → СО +Н₂ - 119 кДж (t = 1000 -1100 °С, катализаторы).

2. СО + Н₂0 → С0₂ + Н₂ + 41 кДж (t = 450 °С, катализаторы).

3. Очистка водорода.

Оба рассмотренных процесса связаны с расходованием минерального сырья, природного газа и угля, запасы которых в принципе ограничены. Эти ограничения снимает электрохимический способ производства водорода путем электролиза воды по схеме:

2Н₂0 → 2Н₂ + 0₂.

Эти процессы и устройства для их осуществления (электролизеры) в настоящее время интенсивно исследуются с целью увеличения выхода водорода по отношению к затраченной электроэнергии. Для массового применения этого способа, а также последующего ожижения водорода потребуются мощные источники электроэнергии, которыми могут стать атомные электростанции будущего. Разрабатываются и другие способы получения водорода из воды - термохимические, в простейшем виде соответствующие реакции:

2Н₂0↔2Н₂ + 0₂

при непосредственном подводе тепла без перевода его в электроэнергию. Сдвиг этой реакции вправо и заметное увеличение выхода водорода требует высоких температур - в несколько тысяч градусов Цельсия, что практически нереально. Поэтому предложено большое число сложных многоступенчатых термохимических циклов с рядом промежуточных реакций, в которых требуемая температура не превышает 800…1000°С, и в конечном счете водород получают из воды. Эти способы открывают большие перспективы производства водорода с пониженными затратами энергии, первичным источником которой, в частности, могут быть ядерные реакторы.

Применение ЭАВ в энергетике

Стремительное сокращение запасов ископаемого топлива будет принуждать индустриально развитые страны расширять сеть атомных энергоустановок, которые во все возрастающей степени станут повышать опасность их эксплуатации. Стратегию энергетической безопасности можно представить в виде трех энергетических поясов, в центре с АЭС, которая позволит более оптимально производить энергию (рис. 3п). Еще в 1981 г. в программной работе академика А.П.Александрова было сказано о необходимости создания инерционной системы накопления энергии с целью оптимизации использования АЭС.

Решение поставленной в ней задачи возможно только при создании системы энергоаккумулирования.

Рис. 3п. Стратегия

энергетической безопасности.

Известная концепция по оптимизации использования АЭС с целью увеличения их доли в энергосистемах, заключается в следующем. АЭС максимально допустимой мощности, снабженные типовыми агрегатами максимальной единичной мощности, эксплуатируются только в режиме «базовой» нагрузки, обеспечивая энергией монопотребителя в виде электротермического производства по переработке энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ), что дает следующие преимущества:

• снижается число агрегатов АЭС и потребителя, так как мощность рудно-термических печей для выплавки ЭАВ уже достигла 85…105 МВт и может быть увеличена (при сохранении коэффициента использования мощности на уровне 0,95…0,98). Соответственно может быть увеличена годовая продолжительность работы АЭС в режиме максимальной нагрузки (до 7500 ч и до 8500 ч в перспективе);

• отсутствуют ограничения как по сырьевой базе (кварцит, алюмосиликаты, зола ТЭС, сланцы, вскрышные породы, полукокс), так и по сбыту продукции (ферросилиций, силикоалюминий, силикокальций);

• сокращаются трудовые затраты на единицу объема транспортабельного энергоносителя, так как добыча местного сырья и восстановителя (бурые угли, сланцы) отличается максимальной производительностью труда при минимальных в данном случае транспортных издержках;

• побочным продуктом этого производства являются горючие газы (Q = 3000 ккал/м³), что позволяет увеличить долю газотурбинных установок (ГТУ) в энергосистемах, используя лишь наиболее доступные виды твердого, в том числе зольного, топлива;

• возможны объединение вторичных тепловых ресурсов (втр) АЭС, ПТУ и производства, оптимизация использования низкопотенциальных втр в замкнутом цикле в фитотронах-теплообменниках для всепогодного производства биопродуктов.

Пути использования силикоалюминия, способы его рафинирования с получением алюминия и ферросилиция известны. Суммарная энергоемкость 1 т. электротермического алюминия, получаемого по предлагаемой схеме, составляет 5,417 т. у.т./т, что в 1,5 раза ниже энергоемкости электролизного способа при полном исключении экологической опасности. Это повышает эффективность расширения производства алюминия и оказывает влияние этого фактора на сокращение сроков строительства.

Экспертные оценки позволяют сделать следующие выводы:

1. Применяются отработанные технологии изготовления типовых агрегатов большой мощности, что увеличивает при тех же затратах выпуск продукции на 30…35%;

2. Изготовление больших серий и создание поточных линий дополнительно увеличивает выпуск на 10…15%;

3. Объединение втр в рамках производства и снижение энергоемкости алюминия при комплексной переработке сырья допускают возможность недовыработки энергии (10…12%) и использование турбин с одним цилиндром низкого давления, что вдвое сокращает габариты агрегата, и увеличивает на 18,3% резервы турбостроения без привлечения дополнительных ресурсов;

4. Образование горючих газов при производстве ЭАВ определяет возможность увеличения доли ПТУ и сокращения трудоемкости энергооборудования в пересчете на единицу мощности, ибо трудоемкость изготовления ГТУ в 8…10 раз ниже трудоемкости изготовления оборудования АЭС;

5. Доля энергии, генерируемой ГТУ по предлагаемой схеме, достигает 17…25% от производства энергии на АЭС, т.е. в целом удельная трудоемкость изготовления энергооборудования снижается на 18…20% по сравнению с действующей структурой потребления энергии АЭС.

Основное преимущество создания этого производства заключается в радикальном снижении уровня загрязнения окружающей среды при увеличении концентрации производства алюминия, энергии, водорода, стали, стройматериалов, а также и возможности поэтапного наращивания мощности путём поточного сооружения типовых блоков, т.е. в возможности осуществления наиболее выгодной стратегии начального импульса.

Применение ЭАВ на транспорте

Экологическую проблему создает не столько промышленность, сколько автомобили. В мире их количество достигло миллиарда, и 85% всех вредных выбросов в атмосферу попадает от двигателей внутреннего сгорания. Основной вывод в результате многолетних исследований и испытаний, что экологически безопасным и самым доступным неисчерпаемым источником энергии может стать водород. При сжигании водорода в кислороде каталитическим методом выделяется огромное количество энергии и происходит реакция - образуется вода. Водород применяется в ракетных двигателях, а в последние годы его пробуют на подводных лодках. В нашей стране был создан экспериментальный самолет ТУ-155, который летал на сжиженном водороде. Он совершил пять полетов, поставив мировые рекорды по грузоподъемности и скорости подъема. Но из-за отсутствия широкий сети баз, где он мог бы заправляться, его полеты прекратились. Несмотря на большие затраты по строительству инфраструктуры водородных заправочных станций, мировая промышленность решилась пойти на это и в первую очередь перевести на водородное топливо автомобили, наносящие самый большой вред окружающей среде. О создании автомобиля с водородным двигателем уже заявили крупные компании, такие как BMW, Toyota, Honda. Основная проблема: в каком виде будет храниться топливо? Есть три варианта хранения водорода: в баллонах под давлением, в сжиженном состоянии и в сплавах металлов. Последний, наиболее безопасный способ, разработан в Московском научно-иссле-довательском институте черной металлургии имени И.П. Бардина под руководством д.ф.-м.н. А.И. Захарова. Там же разработано устройство автомобильного двигателя внутреннего сгорания с добавлением водородного топлива. С разрешения правительства Москвы и фонда экологизации транспорта этот экспериментальный двигатель был установлен на автомобиле Захарова. По разработанной технологии, на московском заводе «Электросталь» был изготовлен сплав железа и титана, который хранится в автомобиле в шести специальных цилиндрах - экостатах по 300 г каждый. На «Жигулях» в качестве эксперимента установлен двигатель переходного типа, т. е. работающий на бензиново-воздушной смеси с примесью водорода. Это реальный прототип городского транспорта, который можно использовать уже сейчас. Добавки водорода улучшают условия работы двигателя, выбросы вредных выхлопных газов уменьшаются в десятки раз. С добавлением водорода повышается октановое число, так что на бензине А-76 можно будет ездить, как на 98-м. Повышается качество езды, особенно в городе при подъезде к светофору, где двигатель обычного автомобиля работает на холостом ходу и может заглохнуть. В этот момент в бензино-воздушную смесь подается водород и двигатель не глохнет, потому что для горения водорода его требуется менее 5% от общего объема смеси, в то время как для воспламенения бензина нужно 29%. Поэтому скорость сгорания водорода от искры зажигания выше. На скорость самого автомобиля такая добавка никак не влияет, а шума от двигателя становится меньше. К тому же примесь водорода способствует более полному сгоранию бензина. При этом выделяются не ядовитые газы CO и NO_x, а углекислый газ. Да и расход топлива экономится на 30%. 1 кг водорода эк­вивалентен 30 кг бензина.

В Санкт-Петербургском сельскохозяйственном институте создан модернизированный автотракторный генератор водорода АТГВ-М. Он предназначен для получения водорода из вторичного сырья и питания газообразным топливом двигателей тракторов и автомобилей. АТГВ-М может быть использован и для стационарных тепло­вых двигателей и электромобилей с электрохимическими генераторами тока. Получение водорода в генераторе происходит в результате реакции металла с водой, помимо водорода в результате реакции образуется окись металла или его гидроокись. При использовании в качестве энергетического сырья вторичного алюминия, активированного магнием, гелием и оловом, реакция, протекающая в генераторе, имеет вид:

2Al + ЗH₂O = Al₂О_з + ЗН₂.

Генератор водорода имеет следующие вспомогательные системы: термостатирования, подачи энергетического сырья, удаления побочных продуктов реакции. Система термостатирования предназначена для поддержания оптимального температурного режима и подачи воды в реактор. Система подачи энергетического сырья состоит из бункера и дозирующего устройства, обеспечивающего подачу сырья в необходимом количестве. Для обеспечения непрерывного получения водорода генератор снабжен системой удаления побочных продуктов из зоны реакции в баки-отстойники. Принцип работы генератора водорода заключается в следующем. Энергетическое сырье (вторичный алюминий) из бункера поступает в дозатор, затем подается в реактор. Полученный в результате реакции с водой водород поступает во всасывающий коллектор ДВС, а побочные продукты удаляются из зоны реакции в бак-отстойник. Техническая характеристика генератора:

• максимальная производительность пароводородной смеси, л/ч - 15000;

• расход воды, л/ч - 15;

• расход энергетического сырья, кг/ч - 1,6;

• потребляемая мощность, Вт - 250;

• масса в заправленном состоянии, кг - 20,0.

Принципы использования ЭАВ для ГТУ

Применение ЭАВ в газотурбинных двигателях связано с рядом особенностей, требующих термодинамического анализа и разработки новых схем с целью наиболее рационального использования тепла и конструктивного осуществления цикла.

Первой отличительной особенностью схем, например на рис. 4п, работающих на ЭАВ, является разный весовой расход рабочего тепла в элементах установки. В камеру подается пароводород. На величину расхода пароводорода уменьшается расход воздуха в компрессоре и, соответственно, затрачиваемая на его привод мощность.

Исследования показали, что пароводород по весу составляет примерно одну пятую часть расхода рабочего тела через турбину. На выходе из турбины состав отработавшего газа представляет собой водяной пар, азот и кислород. Расход воды в цикле значителен, поэтому ее следует сконденсировать после расширения в турбине и вернуть в реактор. Это вторая особенность ГТУ, являющаяся недостатком по сравнению с обычными, при этом тепло от конденсатора, в конечном итоге, можно отвести только воздухом (для транспортных ГТУ), для чего через конденсатор следует пропустить большие его объемы.

Рис. 4п. Принципиальная схема парогазовой установки, работающей на ЭАВ

Конденсация должна идти при давлении близком к атмосферному, поскольку при этом отработавший воздух следует выпустить наружу. Парциальное давление паров воды при конденсации будет ниже атмосферного и отработавший воздух будет выходить влажным. Это составляет неизбежную потерю воды из цикла, требующую ее пополнения. Температура конденсации зависит от парциального давления, а, следовательно, и от процентного состава отработавших газов. С уменьшением температуры конденсации уменьшается расход вводимой в цикл воды, но также уменьшается возможный температурный перепад охлаждающего воздуха - растет и без того большой его расход через конденсатор.

Третьей особенностью является возможность вернуть тепло выхлопных газов в цикл в большем количестве, чем в обычных газотурбинных установках с регенератором, причем более удобным газо-водяным теплообменником. В обычном цикле ГТУ с регенерацией тепло выхлопных газов передается воздуху за компрессором. Максимальное тепло, которое можно передать, ограничивается температурой конца сжатия. Поэтому цикл с регенерацией значительно увеличивает КПД по сравнению с циклом без регенерации на малых степенях сжатия и не приносит никакой выгоды на боль-

ших, где теплоиспользование само по себе выгоднее.

В цикле с ЭАВ тепло выхлопных газов можно передать для нагрева и испарения воды, подаваемой в реактор. В этом случае тепло, которое можно передать, ограничивается температурой конденсации или температурой питательной воды, а также расходом этой воды, циркулирующей в цикле. Температура конденсации значительно ниже температуры конца сжатия, а, следовательно, тепла при одной и той же степени регенерации можно передать больше. Кроме того, что весьма существенно, тепло, которое можно передать, не зависит от степени сжатия.

Общепринятое определение степени регенерации формулируется как отношение тепла, переданного в цикл, к теплу, которое можно передать. В газотурбинных установках, работающих на ЭАВ, с промежуточной реакцией окисления водой, последняя после конденсатора сжимается в насосе до давления в реакторе. Эта вода имеет температуру конденсации. Разница температур определяет тепло выхлопных газов, которое можем передать в цикл. Как видим, определение тепла, которое можно передать, сделано по отношению к передающему рабочему телу, а не получающему, как это принято. Сделано это потому, что в нашем случае тепло физически передается воде, которая нагревается до температуры парообразования, испаряется и пар перегревается. В ходе анализа циклов нельзя сказать, на какие из указанных нужд и в каком количестве достаточно располагаемого в выхлопных газах тепла. Определение тепла, которое можно передать, отнесенное к выхлопным газам, налагает дополнительное ограничивающее условие. Дело в том, что все располагаемое тепло выхлопных газов можно передать только при достаточном расходе воды в цикле, т.е. когда перегретый пар примет температуру. Если воды в цикле меньше, то при любой поверхности регенератора, в том числе и бесконечно большой, все тепло передать невозможно. Как правило, расход воды в цикле больше, чем минимально необходимый для передачи тепла.

Тепло, переданное в цикл, определится агрегатным состоянием воды и ее параметрами. Однако для термодинамического анализа следует задаваться степенью регенерации, исходя из конструктив-

ных соображений теплообменника, и получать переданное тепло.

Для выполнения анализа схем ГТУ, работающих на ЭАВ, необходимо знать содержание пароводорода, выходящего из реактора. Температура в реакторе определяется избытком расхода воды. Отношение весового расхода водорода к весовому расходу воды называют «водородным коэффициентом». Это отношение зависит не только от требуемой температуры в реакторе, но и от начальных температур реагирующих веществ - воды и ЭАВ и определяет весовой расход парогаза при заданной температуре второй реакции. Отношение «водород – вода» при заданных температурах можно определить из уравнений полных теплосодержаний. Однако, для анализа различных схем газотурбинных установок такой метод расчета содержания пароводорода весьма неудобен, так как в систему уравнений войдут табличные значения полных теплосодержаний, требующие знания величин еще неопределенных температур цикла. Поэтому предлагается другой способ определения состава пароводорода, основанный на расчете по средним значениям теплоемкостей в заданном интервале температур. Этот способ менее точен, но не выходит за пределы допущений, применяемых при анализе циклов, и не искажает принципиальной картины протекания процессов. Кроме того, для определения состава пароводорода необходимо знать, с какой температурой подается в реактор вода (или пар), которая, в свою очередь, зависит от отношения Gг/Gв - полного расхода к расходу воды в цикле. Поскольку в регенераторе вода может доводиться до разного агрегатного состояния в зависимости от выбранных параметров цикла, то весьма затруднительно решить задачу в общем виде. Поэтому считают, что все переданное в регенераторе тепло сообщается не воде (как это имеет место на самом деле), а энергоаккумулирующему веществу, поступающему в реактор, в то время как вода всегда поступает с температурой конденсации. Следовательно, все тепло реакции плюс тепло, переданное в регенератор, пойдет на нагрев продуктов реакции от начальной температуры до конечной и на испарение воды. Исходя из вышеуказанных соображений, можно написать выражение для содержания водорода в пароводороде и, пользуясь известными соотношениями из формул химических реакций, а также термодинамических процессов, составить систему уравнений его определения в любой схеме ГТУ. Дальнейшее проведение теплового расчета турбинных установок с получением зависимостей различных параметров сложности не представляет. Проведенный термодинамический анализ показал, что можно создать эффективные схемы ГТУ с применением энергоаккумулирующих веществ. В схемах разомкнутого цикла следует ожидать повышения КПД на 7…10% по сравнению со схемами, работающими на углеводородном топливе. Замкнутые циклы с использованием ЭАВ имеют еще одну особенность, не отмеченную ранее. Глядя на схему такой установки, цикл ее не назовешь разомкнутым, хотя в реактор вводится ЭАВ, а из реактора выводится его окисел. Но главная отличительная черта замкнутого цикла - циркуляция одного и того же рабочего тела - имеется налицо. Однако в обычных установках замкнутого типа подвод и отвод тепла внешний - они являются двигателями внешнего сгорания. В данном случае при использовании ЭАВ в установках отвод тепла внешний, а подвод - внутренний, так что их можно назвать установками внутреннего сгорания, работающими по замкнутому циклу.

Для установок замкнутого цикла определена оригинальная схема высокой эффективности с использованием минимального количества воды, требующей конденсации, допускающая перераспределение тепла между реакциями. Модернизация этой схемы даст возможность полностью исключить конденсацию. Эта схема заслуживает более тщательного анализа с целью выявления ее количественных характеристик и условий практического осуществления.

Использование энергоаккумулирующих веществ в газотурбинных установках, несмотря на большие трудности создания управляемых реакторов, а для транспортных установок также n конденсаторов, весьма перспективно. В некоторых областях применения, как, например, для энергетики, можно создать еще более эффективные ГТУ.

Новая концепция водородной энергетики

Водород имеет и отрицательные качества, связанные с низки-

ми значениями плотности и объемной теплотворной способности, а также более широкими пределами воспламенения и детонации по сравнению с углеводородными топливами. Основная его проблема - это хранение. Наиболее перспективным способом является хранение в химических соединениях, где содержится водород в связанном виде, и которые при определенных условиях могут его выделять. Примерами таких систем хранения могут быть: соединения CH₄, C₂H₆, C₃H₈, C₄H₁₀ и вода + ЭАВ из окислов, в которых содержание водорода может составить 10% от веса и более.

Применение концепции ЭАВ в водородной энергетике позволит снизить негативное влияние этих недостатков водорода как топлива, которые заметно перекрываются его достоинствами. При применении ЭАВ можно использовать потенциал неравномерности энергопотребления. Схема процесса состоит из трех этапов:

1. Получение ЭАВ, используя первичный источник энергии;

2. Получение с помощью ЭАВ водорода;

3. Использование водорода как топлива.

Например, соответственно:

1. Q + С + SiO₂ →Si + CO₂↑ + Н₂0 восстановление кремния;

2. Si + 2Н₂О → SiO₂ + 2Н₂↑ + Q получение водорода;

3. 2Н₂ + О₂ →2Н₂0 + Q сжигание водорода.

Работа рассматриваемой схемы (возможно использование и других веществ и реакций, например - алюминия) осуществляется следующим образом. Используя источник тепла, восстанавливается кремний из окисла (реакция 1). Кремний представляет собой прекрасное ЭАВ, не требующее специальных условий хранения. Затем в специальном реакторе происходит реакция вытеснения водорода (реакция 2), который поступает на ТЭС в качестве топлива. Образовавшийся в результате второй реакции диоксид кремния можно использовать многократно. Достоинством этой технологии является возможность получать водород в реакторе по мере необходимости. Это устраняет опасность взрыва.

Известен перспективный способ, предложенный проф. И.Л. Варшавским для получения и использования водорода посредством разложения сероводорода, добываемого из глубинных слоев некоторых водоемов, в частности, Красного и Черного морей. Высокая энергетическая эффективность предложенного способа определяется тем, что сероводород (Н₂S) является, по сути, ископаемым «самородным» водородом в очень плотной упаковке: энергия об­разования сероводорода примерно в 14 раз меньше, чем энергия образования воды. Это означает, что, затратив один кВтч энергии на разложение сероводорода, мы получим от сжигания выделившегося водорода 14 кВтч энергии. Образовавшаяся при разложении Н₂S сера является одним из основных исходных материалов химической промышленности, а отбор сероводорода из глубинных слоев Черного моря увеличит глубину верхней границы зараженной им воды. В результате улучшается экологическая картина в водоеме: предотвращается выход сероводорода на поверхность и в атмосферу, несущий опасность воспламенения над поверхностью с последующими кислотными дождями.

Уравнения химических реакций, на которых базируется описанная схема, выглядят следующим образом:

1. Н₂S + Q→Н₂↑ + S;

2. 2Н₂ + O₂→2Н₂0 + 14Q.

Сероводород ожижается при вполне реальных давлениях (порядка 20 атм.) и нормальной температуре, что позволяет, помимо получения удельной плотности много большей, чем у сжатого и даже жидкого водорода, вести процесс разложения H₂S в электролизерах.

Предлагаемая концепция водородной энергетики, представленная на рис. 5п, заключается в поэтапном переводе ТЭС на водород. Она отличается от известной концепции тем, что из цепочки «производство - хранение - потребление водорода» исключается этап хранения. Предполагается, что на АЭС располагается предприятие по производству и переработки ЭАВ - металлургический завод.

От АЭС до ТЭС транспортировка ЭАВ осуществляется железнодорожным транспортом с обычными средствами безопасности. На ТЭС устанавливается реактор, куда совместно с ЭАВ подается вода, в котором осуществляется производство водорода. Водород

Рис. 5п. Концепция водородной энергетики

непосредственно используется на ТЭС, обеспечивая безопасность его применения. Доля водорода в топливном балансе ТЭС будет составлять менее 10%. Основная задача на этом этапе - повысить КПД выделения тепловой энергии при сжигании углеводородного топлива и уменьшить выбросы монооксида углерода и диоксида азота. Этот этап связан с уменьшением потребления углеводородного топлива и со снижением негативного воздействия на окружающую среду.

На втором этапе предполагается в системе вывода отработавших газов ТЭС установка мембранных разделителей для выделения диоксида углерода и подачи его в реактор, где при соединении с водородом будет вырабатываться синтетическое жидкое топливо - метанол. Синтез метанола с использованием водорода, полученного из воды, требует в качестве сырья кроме водорода еще и углерода или диоксида углерода.

Если использовать CO₂, производимый в качестве побочного продукта, то возможно производство метанола на основе реакции

ЗН₂+СО₂ ↔ СН₃ОН+Н₂О.

При этом на 1 т. метанола требуется по различным данным от 0,065 до 0,09 т. водорода. Рост стоимости природного газа более 120 долл. за тонну в пересчете на условное топливо экономически оправдывает использование электролитического водорода (произ-

водимого по перспективной технологии) для производства СН₂ОН при наличии больших резервов СО₂ как побочного продукта. Такая стоимость природного газа уже приближается к величине замыкающих затрат на природный газ в европейской части России. Однако перспективы оказываются менее благоприятными при сравнении с массовым производством метанола в районах вблизи крупных газовых месторождений, где стоимость природного газа за тонну условного топлива может оцениваться ниже, чем в центре европейской части. Однако вывод о том, что получаемый из воды товарный водород начнет вытеснять природный газ из процессов производства метанола раньше, чем из процессов синтеза аммиака, можно считать достаточно обоснованным. Следует также отметить, что возможно массовое производство метанола в районах дешевого угля, где более рационально использовать синтез-газ (СО + Н₂), получаемый в процессе газификации угля.

При этом доля потребления водорода на ТЭС увеличится. Реализация второго этапа позволит полностью сократить выбросы диоксида углерода в атмосферу и создать экологически чистое производство энергии. При этом ТЭС будет производить не только электрическую и тепловую энергию, но и моторное топливо для транспорта.

Одним их перспективных направлений переработки угля является его газификация с последующим каталитическим синтезом метанола. Это связано с высокой производительностью каталитических реакторов синтеза метанола, значительной селективностью процесса, отработанностью технологии, ценностью метанола как экологически чистого топлива и исходного сырья для многих химических производств.

Традиционная технология производства метанола из органического топлива включает две основные стадии - получение синтез-газа и синтез метанола из этого газа. На обеих стадиях выделяется большое количество тепла, которое, как правило, используется для получения пара среднего давления, направляемого на турбины, приводящие в действие компрессоры установки, и на нужды других производств. Такой способ утилизации тепла сопровождается значительными эксергетическими потерями. Более рациональным способом утилизации тепла является комбинация двух технологий - производства метанола и производства электроэнергии в одной установке. При этом снижаются эксергетические потери (растет энергетическая эффективность), уменьшаются капиталовложения за счет совмещения функций части оборудования, появляется возможность упростить технологическую схему, отказавшись от рециркуляции синтез-газа.

На третьем этапе в местах добычи твердого топлива - угля, запасы которого значительны, устанавливается реактор, где уголь при соединении с водородом превращается в энергетический газ - метан. Условно такую установку можно представить состоящей из трех блоков: газификации угля, синтеза метилового спирта и энергетического блока. В блоке газификации осуществляются процессы газификации угля в газогенераторах с кипящим слоем, охлаждения и очистки продуктов газификации. Здесь генерируется острый пар и пар низкого давления, которые идут в энергоблок на выработку электроэнергии. В блоке синтеза метилового спирта осуществляются процесс каталитического синтеза метанола, а также генерация пара низкого давления, поступающего в энергоблок. Блок имеет три последовательные ступени синтеза с различным числом параллельно работающих реакторов в каждой ступени. В энергетическом бло­ке происходит сжигание продувочного газа, поступающего из блока синтеза, охлаждение продуктов сгорания и выработка электроэнергии в газовых и паровой турбинах. Шахты превращаются в предприятия не только по производству энергии, но и по производству строительных материалов из твердых отходов. Рентабельность их производства возрастет в несколько раз и сравнится с добычей газа. Упрощается система транспортировки первичного энергоресурса - передача его осуществляется по трубопроводам. Добыча нефти и природного газа может быть значительна сокращена. ТЭС переводятся на энергетический газ. Этот период характеризуется большей ролью ядерной энергетики в аккумулировании энергии посредством ЭАВ.

В результате выполнения этих трех этапов будет решена зада-

ча по более эффективному использованию природных энергетических ресурсов как важнейшего национального достояния страны и повышению качества жизни населения за счет роста энергопотребления при существенном снижении воздействия на окружающую среду.

Особенности Российской энергетики

По экологическим показателям энергетика Россия примыкает к развивающимся странам. Доля возобновляемых источников энергии в общем балансе энергоресурсов страны составляет менее процента. Объем выброса углекислоты на единицу продукции значительно выше, чем в развитых странах. Россия располагает огромным научным потенциалом, который способен перевести страну на новые технологии, обеспечивающие экологическую безопасность. Вопросам внедрения этих технологий большое внимание уделяет Комиссия РАН по проблеме «Использование энергоаккумулирующих веществ в машиностроении, механике и экологии», работающая под руководством академика В.И. Субботина, которая предложила целый ряд технологических разработок в этой области.

Деградация промышленности делает Россию уникальнейшим полигоном для разработки стратегии внедрения альтернативной энергетики и в первую очередь водородной. В результате будет получен бесценный практический опыт внедрения водородной энергетики и страна получит уникальный исторический шанс возродить индустрию и вновь стать великой экономической державой. Экономические эксперименты в стране привели к остановке производства, а переход на новые технологии сопровождается социальными проблемами. С экономической точки зрения для России теперь практически безразлично, что выбирать - энергетика на природном топливе или на водородном. Существующие технологии безнадежно устарели и их продукция не конкурентоспособна. Однако с позиции концепции устойчивого развития, выбор должен быть за водородной энергетикой. Помимо экологического аспекта, есть реальный шанс осуществить технологический прорыв в области энергетического машиностроения [19].

ПРИЛОЖЕНИЕ 2