Ядерное опреснение морской воды

Мангистауский атомно-термический комбинат. Фото с сайта www.maek.kz

Вода – один из самых ценных ресурсов, основа жизни людей, развития производства и экономики. Несмотря на то что наша планета на две трети заполнена водой, только 2,5% от этого объема является пресной. Сегодня ее недостаток испытывают примерно 14% населения земного шара. Однако уже к 2025 году, по оценкам ООН, эта цифра увеличится до 25%. В этой связи для многих стран и регионов крайне актуальной является задача искусственного получения пресной воды. В настоящее время, когда численность населения Земли непрерывно растет, а водные ресурсы истощаются, спрос на воду опережает предложение. Эксперты ООН прогнозируют, что уже к 2030 году спрос возрастет в 3 раза, при этом спрос будет превышать предложение на 40%. Это обстоятельство, по оценке ряда экологов и экономистов, может стать причиной нового миграционного перемещения значительных людских потоков за пределы границ их нынешнего проживания. 

 Основными способами решения проблемы дефицита воды будут ее опреснение и повторное использование. Уже сейчас опресняется 30 куб. км в год морской воды, а к 2030 году будет опресняться до 110 куб. км в год. Сегодня для многих стран, в частности на Ближнем Востоке, опреснение практически единственный способ восполнения дефицита пресной воды. В таких странах, как Объединенные Арабские Эмираты, Саудовская Аравия, которые располагают финансовыми ресурсами, действует множество опреснительных заводов. И число таких стран растет. Например, в Египте, Иране до сих пор пользовались подземной водой. Это, кстати, относится и к российскому Крыму. Но со временем эта вода засоляется, значит, необходимо ее опреснять. Опреснительный завод использует в своем производстве водяной пар и электроэнергию. На сегодняшний день в мировой практике 10–15% опреснительных заводов строятся сразу в комплексе с тепловой или другой электростанцией. В этом есть экономический смысл: на этапе строительства экономятся средства на капитальных затратах и операционные затраты также меньше. Именно из-за высокой потребности в энергии установки по опреснению морской воды особенно часто проектируются и строятся вместе с электростанциями. Росатом предлагает своим партнерам проектирование и строительство опреснительного комплекса производительностью до 170 тыс. куб. м в сутки в интеграции с АЭС большой мощности. Комплекс может работать по гибридной технологии, то есть сочетать в себе термический и мембранный метод обессоливания.

Гибридная технология обеспечивает повышенную надежность, возможность использования низкопотенциального пара и умеренные эксплуатационные затраты при высоком качестве конечного продукта. Также данное решение обеспечивает возможность получения обессоленной воды как в случае отсутствия источника тепла, так и в случае значительного ухудшения качества исходной воды. Часть воды от опреснительного комплекса может быть использована для собственных нужд АЭС.

Технологический процесс получения питьевой воды включает в себя несколько этапов. Сначала вода проходит предварительную очистку. Первым делом ее пропускают через фильтрационную сетку, задерживающую мусор и крупные частицы. Затем добавляют два соединения: гипохлорит натрия для дезинфекции и хлорид железа – для коагуляции. Он связывает песчинки и другие мелкие частицы, формируя тяжелые хлопья, которые затем оседают вниз. Таким образом, проходит первый этап очистки, но вода еще не стала кристально чистой. Теперь она поступает на вторую стадию механической очистки – в песочных фильтрах. В каждом из них регулируются давление и поток, а потоки воздуха приводят песчинки в круговое движение. Вода поступает в нижнюю часть фильтра и движется вверх, а песчинки опускаются вниз против тока воды и захватывают с собой частицы взвеси. Теперь морская вода безупречно чистая и готова к опреснению.

Интегрированный комплекс позволяет проводить опреснение как мембранным, так и термическим способом. В первом случае оно проходит при помощи мембран – цилиндрических элементов, содержащих слои пластиковых листов с порами диаметром в тысячу раз меньше человеческого волоса. Они способны задержать микроскопические кристаллы соли. Очищаемая морская вода под большим давлением прогоняется через каскад цилиндрических труб, в каждой из которых установлены такие мембраны. Когда вода проходит через все мембраны и поступает в центр трубы, она полностью очищается от соли. Комплекс содержит несколько тысяч мембран.

В случае использования термического или дистилляционного метода (Multi-effect Distillation, или MED) очищенная вода при пониженном давлении окружающей среды мгновенно нагревается в специальных колоннах, многократно испаряется, затем пар конденсируется в виде пресной воды. Многоколонная дистилляция подразумевает, что морская вода нагревается в первой колонне, а образовавшийся пар идет на нагрев в последующих колоннах. Процесс проходит несколько стадий.

После того как вода прошла стадию опреснения, она стала практически стерильной, поскольку естественные минералы также были удалены вместе с солью. Чтобы придать воде естественный баланс, ее направляют в комплекс минерализации. Там в нее добавляют известь и углекислый газ, чтобы восстановить кислотно-щелочной баланс и количество необходимых человеку минеральных веществ.

Преимущества интеграции опреснительного комплекса и АЭС состоят прежде всего в возможности оптимизации капитальных и эксплуатационных затрат; совместного использование инфраструктуры. Это дает также возможность получения пресной воды для обеспечения собственных нужд АЭС (независимость и безопасность работы АЭС). Один энергоблок производит до 170 тыс. куб. м в сутки обессоленной воды. Имеет преимущество и модульность сооружения. Кроме того, решение не требует значительных изменений в проекте АЭС.

Мнение экспертов Росатома

В России имеется уникальный опыт создания опреснительных установок. «НГ-энергия» обратилась к директору департамента стратегии и развития АО «Атомэнергомаш» Илье Лычеву с просьбой прокомментировать возможности Росатома на этом направлении. Вот что он рассказал:

«Мы знаем, что есть три базовых ресурса, по которым есть дефицит, – это энергия, вода и продовольствие. Эти ресурсы взаимосвязаны. В тех регионах, где нет воды, для ее производства нужна энергия, а для производства продовольствия нужна вода и т.д. Энергия также нужна для переработки сельхозпродукции, для ее хранения». Поэтому сейчас в некоторых странах энергетическими и водными ресурсами управляет одно министерство. Кстати, есть специальная программа World Bank Thirsty Energy, в которой говорится о едином управлении всеми тремя дефицитными ресурсами. Эта программа охватывает больший круг вопросов, чем энергетика и опреснение воды, в ней речь идет о рациональном использовании водных ресурсов в целом. Например, проблемы могут возникнуть, когда на трансграничных реках строят гидроэлектростанции».

Казахстанский опыт

 До сегодняшнего дня, по словам Лычева, есть только один пример, когда опреснительный завод был интегрирован с атомной электростанцией. Это завод в городе Актау (бывший Шевченко), который начал работать в 1967 году и полностью обеспечивал пресной водой промышленные объекты города, а также население. Как известно, оборудование для этого завода было изготовлено в «СвердНИИхиммаше», теперь эта организация входит в машиностроительный дивизион Росатома «Атомэнергомаш» и по-прежнему успешно работает в области создания опреснительного оборудования.

Комплекс, построенный в советское время, проработал 35–40 лет, то есть переработал свой срок. В середине нулевых годов Мангистауский атомный энергокомбинат АО НАК «Казатомпром» начал постепенно менять оборудование этого завода. Было проведено два тендера, в одном выиграла израильская компания IDE Technologies, в другом – французская SIDEM. Израильское оборудование сейчас уже работает, а французское вводится в эксплуатацию. Следует отметить, что после выведения из эксплуатации атомного энергоблока в 1999 году опреснительный завод стал работать на энергии от ТЭЦ, которые были еще раньше построены как резервные мощности.

Поэтому два года назад, говорит Лычев, у нас возникла идея предложить коллегам из МАЭК сотрудничество по разработке опреснительного оборудования для эксплуатации, вначале на площадке в Актау, а в перспективе можно было бы предлагать такое оборудование на других площадках в Казахстане и в зарубежье. Были получены от МАЭК базовые требования к оборудованию с точки зрения производительности, его экономических и технических параметров, надежности. Как отметил Лычев, по этой части мы уже разработали базовое технико-коммерческое решение, которое могло бы быть положено в основу разработки новой установки. При этом инженерно-конструкторский и научно-исследовательский потенциал у нас сохранился. В России нет дефицита воды, но опреснительное оборудование применяется на многих промышленных объектах, атомных и тепловых электростанциях, где нужна подпиточная вода или очищенная вода для технологических контуров. В области нефтегазохимии есть жесткие экологические требования по сбросу воды, поэтому здесь тоже есть применение нашему оборудованию. В массе производственных процессов образуются стоки, в том числе солесодержащие. Как раз сейчас, подчеркнул Лычев, «СвердНИИхиммаш» выиграл один крупный тендер для компании «Сибур», причем в этом тендере участвовали и ведущие зарубежные компании. Поэтому кроме теории и желания разработки нового оборудования есть живые проекты, которые мы реализуем и планируем в дальнейшем. 

В чем преимущество имеющейся технологии? Дело в том, отмечает Лычев, что при сравнимых технико-экономических параметрах оборудования мы предлагаем не просто поставить оборудование, а совместно его спроектировать и произвести. Если казахстанские коллеги будут участвовать в проекте на этапе инжиниринга и конструирования, это одна часть локализации. Часть прав на интеллектуальную собственность будет принадлежать МАЭК. Еще одна часть казахстанского содержания может быть связана с производством металлоемкого оборудования. Наверное, какую-то его часть будет удобнее и правильнее произвести в Казахстане, чтобы не везти из России. В дальнейшем при поставке оборудования другим клиентам или в третьи страны может появиться и третья часть казахстанского содержания, связанная с сервисным обслуживанием и обучением персонала. 

Проблемой для Росатома сейчас является начало практической реализации проекта. В свое время, как сказал Лычев, нами были получены резолюции руководства «Казатомпрома» и премьер-министра о возможности сотрудничества. Сейчас уже прошло время, и мы хотим еще раз обсудить этот проект с казахстанскими коллегами. Поскольку все технологии у нас уже отработаны, реализовать проект можно примерно за два года. Мы предлагаем совместно разработать дистилляционные опреснительные установки производительностью 300 куб. м в час, или 12 600 куб. м в сутки ДОУ-300. Их можно ставить рядом с любым источником пара – ТЭС, АЭС, химическое производство, где нужна пресная вода и есть пар, и другими объектами. Такие установки, например, стоят на Ростовской атомной электростанции: восемь установок мощностью по 50 куб. м в час, они успешно работают на всех четырех блоках АЭС.