Заново открытый потенциал

Пилотный проект в Западной Вирджинии (США).
Фото пресс-службы Alstom

В настоящее время 25% потребления первичных энергетических ресурсов в мире приходится на уголь. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), ожидается, что его использование с 2006 по 2030 год возрастет более чем на 60%. Причем 97% этого увеличения придется на долю развивающихся стран. В энергетическом секторе в масштабах всего мира на долю угля приходится 40% выработанного электричества, и этот показатель продолжит расти. Согласно ориентировочным оценкам МЭА, к 2030 году уголь станет источником для производства 45% электроэнергии в мире.

Продолжающееся использование ископаемого топлива, в частности для производства электроэнергии, является одной из наиболее значимых причин выбросов CO2, связанных с деятельностью человека. Важную роль в достижении поставленных целей по сокращению производства CO2 в рамках противодействия глобальному потеплению играет уменьшение выбросов угольных электростанций.

Чтобы значительно сократить объемы выбросов работающих на угле электростанций, необходимо принимать во внимание фактор не только уже имеющегося установленного на угольных ТЭС оборудования, но и новых угольных электростанций. Для достижения этой цели энергетика может прибегнуть как к уже существующим методам (таким как модернизация станции или иные технологии, позволяющие повысить КПД энергоблока и, таким образом, помочь сократить расход топлива), так и к более «долгосрочным» технологиям (таким как улавливание и хранение углерода – CCS).

Компания Alstom, в частности, наглядно демонстрирует, как можно добиться сокращения выбросов на базе уже имеющегося установленного оборудования, одновременно развивая новые технологии для будущих угольных ТЭС.

Выход на сверхкритические параметры

Очевидный способ сокращения выбросов работающих на ископаемом топливе электростанций – сжигать его меньше. Повышение эффективности старых угольных электростанций позволит им вырабатывать то же количество энергии при меньшем расходе топлива. До тех пор, пока технология ССS не станет доступной в промышленных масштабах, это пока единственный способ уменьшить выбросы CO2 на угольных электростанциях.

Каждый процент увеличения КПД сокращает удельные выбросы CO2 на 2–3%. В настоящее время на наиболее современных угольных электростанциях задействованы как сверхкритические, так и ультрасверхкритические технологии, позволяющие достигать электрического КПД порядка 45%. В то же время в среднем по всему миру этот показатель находится приблизительно на уровне 30%. Это ведет к сокращению удельной эмиссии CO2 приблизительно на 35%.

Пар при сверхкритических параметрах представляет собой фазу среды, в которой и давление, и температура превышают критические величины. Если параметры в котле превышают критические давление 221,2 бар и температуру 374 ╠C, вместо двухфазной смеси пара и жидкости возникнет однофазная сверхкритическая среда. Пар с высокими температурой и давлением позволяет существенно повысить КПД. Сверхкритические технологии обретают все большую популярность в мире и, в частности, на таких рынках, как Индия и Китай, производство электроэнергии в которых в значительной степени обеспечивается именно угольными электростанциями.

Компания Alstom в настоящее время участвует в строительстве двух ультрасверхкритических электростанций в Германии: RDK8 (Карлсруэ) и Mannheim 9 (в окрестностях Мангейма).

RDK8 – это первая в Германии электростанция, где используются подобные параметры пара – одни из самых высоких среди угольных электростанций во всем мире. Ее электрическая мощность составит 910 МВт, а общий электрический КПД достигнет 46%. C учетом показателя утилизации пара для централизованного теплоснабжения суммарный коэффициент использования топлива достигнет 58%. Столь высокий уровень КПД существенно скажется на выбросах: CO и NOx будут менее 100 мг/м3 при нормальных условиях, а CO2 – ниже 740 г/кВт-ч.

Модернизация

Увеличение КПД паровой турбины, достигаемое за счет модернизации ее компонентов, способно повысить эффективность электростанции на величину до 10%. Модернизация паровой турбины может оказать существенное влияние на КПД даже в тех случаях, когда сверхкритические технологии не используются. Модернизация паровой турбины иногда осуществляется в рамках комплексного проекта, включающего обновление котла и паротурбогенератора. Как правило, проект модернизации позволяет повысить тепловую мощность электростанции приблизительно на 5%. К сведению: повышение тепловой мощности уже на 3% способно сократить выбросы CO2 на величину до 100 тыс. т/год. Наряду с повышением эффективности и сокращением выбросов модернизация угольной электростанции стоит намного дешевле, чем строительство новой. Кроме того, это позволяет отсрочить вывод ее из эксплуатации и сократить расходы на техническое обслуживание, а также связанные с простоями издержки.

Сокращение выбросов загрязняющих веществ

Выработку энергии из угля традиционно связывают с различными загрязняющими веществами, такими как оксиды серы, оксиды азота и пыль. Существует ряд возможностей, позволяющих улучшить экологические показатели обычных угольных электростанций. Очистка угля путем промывки и его обогащение продолжают играть важную роль в сокращении выбросов. Выбросы определенного вида можно уменьшить, применяя электростатические и рукавные фильтры, мокрые скрубберы и системы фильтрации горячих газов. Также разработаны технологии, позволяющие сократить, а в некоторых случаях и практически полностью исключить выбросы SOx и NOx.

Технология CCS

Развитие технологии CCS является важнейшим фактором в борьбе с глобальным потеплением. Согласно анализу, проведенному МЭА, для того чтобы глобальное потепление к 2050 году ограничилось ╠2 ╠C, необходимо свести концентрацию CO2 в атмосфере к 450 промилле. Этот уровень невозможно достичь без технологии CCS. Оценки МЭА свидетельствуют, что к 2030 году можно улавливать от 1 до 2 Гт/год CO2, а к 2050 году этот показатель может значительно превышать 5,5 Гт/год.

Улавливание углерода предполагает выделение CO2 из потока отходящих газов электростанции или промышленной установки, обработку, а затем транспортировку и закачку в геологические породы глубокого залегания, представляющие собой надежные постоянные хранилища. В некоторых случаях CO2 можно также закачивать в нефтяные месторождения, повышая их отдачу. Из трех существующих технологий улавливания углерода – улавливание CO2 до сжигания, сжигание топлива с использованием кислородного дутья и улавливание CO2 после сжигания – Alstom сосредоточилась на двух последних. Напомним, что технология сжигания топлива при использовании кислородного дутья заключается в применении в качестве окислителя кислорода вместо воздуха. В результате горения образуется относительно чистый диоксид углерода, который может быть легко уловлен и захоронен под землей. Ключевое преимущество указанной технологии заключается в возможности ее применения как для вновь вводимых, так и для реконструирующихся электростанций. Технология очистки продуктов горения является наиболее проработанной технологией на сегодняшний день, предусматривающей выделение CO2 из уходящих газов при использовании аминов или охлажденного аммиака. Последние данные лабораторных испытаний подтверждают, что метод улавливания CO2 с помощью охлажденного аммиака, разработанный концерном Alstom, позволяет извлечь до 90% CO2 из газов, образующихся при горении. Данную технологию можно использовать как на угольных электростанциях, так и на комбинированных парогазовых блоках.

При этом концерн обращает особое внимание на развитие этих технологий в их применении на уже установленном оборудовании. Внедрение CCS-технологий на новых и работающих электростанциях является, таким образом, основополагающим моментом в программе.

Alstom располагает семью пилотными и тестовыми установками, введенными в эксплуатацию на объектах заказчиков. Три из семи основаны на технологии кислородного дутья. В их число входит электростанция Schwarze Pumpe мощностью 30 МВт в Ватенфалле (Германия), проект «Тоталь Лак» во Франции и собственная тестовая площадка Alstom для котлов мощностью 15 МВт в г. Виндзор, США.

Пилотная установка в г.Чарлстон (штат Западная Виргиния, США) находится на одном из заводов компании Dow Chemical и используется для развития технологии улавливания CO2 с помощью сложных аминов. В июне 2011 года компании Alstom и AEP успешно завершили ввод в эксплуатацию и испытания экспериментальной системы CCS мощностью 58 МВт на электростанции Mountaineer. Проект Mountaineer стартовал в 2009 году. Он был первым в мире, предусматривающим улавливание двуокиси углерода из выбросов угольной электростанции и надежное захоронение их прямо на месте – в подземных скальных породах.

В рамках разработки технологий второго поколения компания Alstom участвует в двух крупномасштабных стендовых проектах по химическому связыванию: один находится в г.Виндзор (США) и частично финансируется Министерством энергетики США, а другой – в г. Дармштадт (Германия) и софинансируется Евросоюзом.

На стадии строительства находятся проекты TCM в Норвегии (основан на технологии улавливания CO2 с помощью охлажденного аммиака) и ЭДФ-Гавр (технология сложных аминов). Ожидается, что оба будут введены в эксплуатацию в первом квартале 2012 года.

В отношении крупномасштабных проектов с использованием технологии кислородного дутья концерн Alstom участвует в реализации демонстрационного проекта совместно с британским правительством. Компания также завершила анализ реализуемости проекта Ватенфаль (Германия).

Что касается крупномасштабных демонстрационных проектов улавливания CO2 после сжигания, концерн совместно с компанией CET разрабатывает установку мощностью 250 МВт на основе технологии с использованием охлажденного аммиака в городе Турчени (Румыния). Этот комплексный демонстрационный проект позволит улавливать 1,5 млн. т CO2 в год. CO2 в Турчени будут закачивать в глубокие горизонты соленых вод прямо на месте.

В Бельхатуве (Польша) компания Alstom совместно с компанией Polish Government Elektrownia (PGE) в течение 2 лет разрабатывала крупномасштабную демонстрационную установку мощностью 260 МВт, основанную на технологии улавливания с помощью сложных аминов. В результате реализации этого проекта можно будет улавливать 1,8 млн. т CO2 в год. Ввод объекта в коммерческую эксплуатацию намечен на конец 2014 – начало 2015 года.

Переход от фазы пилотного проекта к фазе демонстрационной потребует от всех участвующих в процессе сторон – энергетиков, правительственных учреждений, поставщиков оборудования – огромных усилий, чтобы в течение ближайшей пары лет ее завершить и тем самым обеспечить к 2015 году ввод этой технологии на крупных промышленных объектах в коммерческую эксплуатацию.

Во время этой демонстрационной фазы технологии улавливания проходят испытания на электростанциях средней мощности (обычно от 100 до 350 МВт). Подобного рода проекты необходимы для оценки эффективности и экономичности технологии, а также для определения стоимости всей цепочки CCS, включая собственно улавливание выбросов, их транспортировку и захоронение – этап, предваряющий коммерческое внедрение технологии на крупных промышленных объектах.

Сокращение выбросов угольных электростанций – как существующих, так и новых – открывает перспективы для использования этого вида топлива в течение очень многих лет.