Александр Майборода
Дымовые газы тепловых электростанций, прежде всего угольных, – главные загрязнители атмосферы. Как экономично и эффективно удалять диоксид углерода (СО2) из дымовых газов – вот в чем вопрос. Концентрация СО2 достаточно низкая в дымовых выбросах тепловых двигателей, и ее сепарация обходится очень дорого. Если удастся понизить затраты на ее извлечение, то такая технология также решит задачу, поставленную Илоном Маском на конкурсе XPRIZE Carbon Remova, – извлекать углекислый газ непосредственно из атмосферы. Это возможно в том случае, когда модернизированные электростанции будут потреблять не ископаемое, а биотопливо. Углерод, изъятый растениями из атмосферы, при сжигании на тепловых электростанциях после изъятия из дымовых газов подвергается захоронению и не возвращается в атмосферу.
Кислород вместо воздуха
Сейчас технология сокращения затрат (на удаление СО2 из дымовых газов) путем повышения концентрации СО2 в дымовых газах находится на стадии лабораторного тестирования.
Звучит несколько парадоксально. Но этот парадокс объясняется просто: чем выше концентрация, тем меньше затраты. При низкой концентрации затраты могут быть многократно выше, чем при высокой концентрации. Если удастся повысить концентрацию СО2 до 100%, то затраты на ее извлечение сократятся десятикратно по сравнению с фактическим уровнем.
|
|
Схема декарбонизации энергетики на основе рационального использования бросового хладоресурса СПГ. Составлена автором |
К примеру, у турбин генераторов, потребляющих природный газ, очень низкая концентрация СО2 в дымовых газах – всего 2,5–5%. Топки паровых турбин выдают дым с концентрацией около 20%. Так вот, авторы новой технологии в решении проблемы сделали ставку на замену воздуха кислородом. Понятно, что при такой замене дымовой газ становился практически чистым СО2 с примесью легко сепарируемого водяного пара. Однако до сих пор работы по этой технологии так и не вышли из экспериментальной стадии – напряженный тепловой режим работы деталей газовых турбин при замене воздуха кислородом требует применения особо жаропрочных и жаростойких материалов. Единственное исключение – это двигатели внешнего сгорания, используемые на угольных электростанциях с паровыми турбинами. Тем не менее на пути создания экологически чистых электростанций есть препятствие в виде стоимости замены воздуха кислородом.
Новая технология требует использования кислорода, производство которого во многих случаях не всегда дешево. Самый дешевый способ – выделение кислорода из воздуха на больших криогенных воздухоразделительных установках (ВРУ). В издержках ВРУ большая часть приходится на затраты энергии. Большие установки сокращают затраты энергии до 300 кВт-ч на получение 1 т газообразного кислорода. Если ВРУ потребляет электроэнергию, то в США при дневном тарифе в 0,1 долл./кВт-ч издержки составят 30 долл./т О2, а при ночном тарифе, который, кстати, рекомендует Илон Маск для владельцев электрокаров, равном 0,02–0,04 кВт-ч, издержки производства 1 т кислорода составляют 6–12 долл. Таким образом, выгодный режим работы ВРУ ночной – за счет ночного тарифа или за счет мощностей обслуживаемой электростанции, которые оказываются недогруженными в ночной период.
Как это сказывается на цене удаления СО2 из дымовых газов? При сжигании каменного угля (С2Н) на 1 т потребленного кислорода производится 1,222 т углекислого газа. Таким образом, минимальные затраты составляют 4,9–9,8 долл./т СО2 (при генерации кислорода в ночной период). Для сравнения: в Евросоюзе плата за квоты на выбросы СО2 еще в прошлом году превысила 100 долл. за тонну, что делает возможным маржу до 90 долл./т. В других регионах возможная плата за квоты прогнозируется в диапазоне 25–50 долл./т СО2. Маржа – 20–40 долл./т.
Таким образом, рассматриваемая технология рентабельна – пользователи не только окупают затраты, но и получают прибыль. Загрязнители атмосферы платят углеродный налог, а поглотители СО2 получают премию.
Вместе с тем имеется хорошая перспектива еще больших сокращений затрат на получение кислорода – примерно в три-четыре раза. Дело в том, что мире есть бросовый ресурс, исчисляемый миллионами тонн, рациональное использование которого способно многократно понизить цену производства кислорода и соответственно цену очищения дымовых газов от СО2.
Объединенный кислород
Этот ресурс существует в виде ныне не используемого и растрачиваемого хладоресурса сжиженного природного газа (СПГ). Например, СПГ, поставляемого в Европу. Хладоресурс сжиженного природного газа ныне бесполезно рассеивается на регазификационных станциях. Это при том, что на сжижение газа (на энергоснабжение криогенного оборудования) тратится до 25% от его первоначальной массы. Испарение 1 т СПГ создает условия для сжижения воздуха и выделения из него кислорода при минимальных затратах. Криогенные ВРУ, комбинированные с регазификационными станциями, при высоком КПД рекуперации холода, на 1 т СПГ способны производить до 4 т газообразного кислорода.
В Европе создана внушительная по объемам приема сжиженного газа инфраструктура. На данный момент в странах ЕС имеется 32 крупнейших СПГ-терминала. Мощность в 2016 году – 218,9 млрд куб. м, или 159 млн т СПГ. Мощность в 2025 году – 296 млрд куб. м, или 215 млн т СПГ. Использование этого дарового хладагента для получения кислорода в криогенных воздухоразделителях за счет высокоэффективной рекуперации холода (89%) может дать до 860 млн т недорогого газообразного кислорода, то есть на 1 т СПГ это гарантирует получение до 4 т кислорода. Сгорание этой массы кислорода и каменного угля даст продукты сгорания массой более 1 млрд т СО2 в год.
С учетом других стран потенциал хладоресурсов значительно больше. К примеру, Япония занимает первое место в мире по суммарным мощностям регазификационных СПГ-терминалов. По состоянию на январь 2020 года в стране функционировало 37 СПГ-терминалов суммарной мощностью 298,2 млрд куб. м в год, или 217 млн т СПГ. Японский хладоресурсный потенциал может дать до 868 млн т кислорода, что обеспечивает удаление СО2 из дымовых газов электростанций, работающих на каменном угле, свыше 1 млрд т.
Таким образом, с учетом потенциала Европы и Японии (432 млн т СПГ) ресурс ежегодной аккумуляции СО2 из дымовых газов составляет около 2,1 гигатонны. Это 21% от потребности в удалении CO2, которая оценивается примерно в 10 гигатонн в год, чтобы удержать повышение глобальной температуры на уровне менее 1,5 или 2°C.
Понятно, что растущий хладоресурс регазификационных терминалов всего мира таким образом способен обеспечить удаление более значительных объемов СО2.
Утопия декарбонизации?
Приведенная выше оценка относится к удалению СО2 из дымовых газов электростанций, потребляющих каменный уголь. Полученная масса кислорода применима к очищению выбросов других промышленных объектов, включая в перспективе и газовые электростанции не только в Евросоюзе и Японии, но значительно шире – за счет экспорта по морю сжиженного кислорода, аналогично перевозкам СПГ.
В перспективе, когда объемы производства биогаза из водорослей и наземных растений достигнут объемов, соизмеримых с нынешними объемами СПГ, начнется удаление CO2 из атмосферы и океанов в требуемых величинах. Без этого трудно достичь стабилизации климата. Если повышенная концентрация CO2 в атмосфере сохранится, то даже с нулевыми выбросами потепление будет продолжаться по инерции несколько столетий.
Если стремиться к большим объемам удаления СО2, то после исчерпания криоресурса на основе СПГ возможно увеличение производства кислорода за счет массового производства и сокращения стоимости больших криогенных ВРУ. Программа круглосуточного поточного производства судов типа «Либерти» дает образец технологии для достижения низкой стоимости крупных ВРУ. Путем последовательных усовершенствований срок постройки был уменьшен до 42 суток. В 1942 году поставили рекорд – спуск на воду менее чем через пять дней после закладки. Воспроизведение этой программы в увеличенном масштабе применительно к крупным ВРУ обеспечит изъятие СО2 до требуемой величины в 10 гигатонн и более.
Сокращение расходов на декарбонизацию экономики жизненно важно. В соответствии с целями Парижского соглашения по климату в ближайшие 10 лет необходимо существенно сократить объемы выбросов диоксида углерода, продолжая при этом удовлетворять материальные потребности постоянно растущего населения. Без внедрения инноваций существует реальная угроза ухудшения жизни человечества. Пока же цена декарбонизации будет расти.
По расчетам аналитиков, снижение выбросов на 25% обойдется России в 1,3% ВВП ежегодно; снижение на 50% потребует изъятия уже 2,7% ВВП ежегодно, а сокращение выбросов на 100% к 2060 году потребовало бы затрат в годовом выражении, эквивалентных 15% ВВП.
Билл Гейтс, основатель программы Breakthrough Energy Catalyst, считает, что имеется достаточно идей с шансами на значительный успех, особенно при правильной господдержке. Фонд Breakthrough Energy Catalyst намерен вложить 15 млрд долл. в чистую энергетику.
Однако не все так просто – государственная поддержка инновационной деятельности в декарбонизации мировой экономики становится невозможной для многих стран в условиях тотальных экономических санкций. Для бедных стран планы дорогостоящей декарбонизации превращаются в утопию – защита падающего жизненного уровня населения становится приоритетом. Поэтому не просматривается перспектива перевода угольных электростанций на газовое топливо, создание транспорта с нулевыми выбросами СО2, выделение обширных площадей – в ущерб продовольственной программе – под производство сырья для биотоплива.
Научное сообщество с тревогой отмечает, что мы прилагаем недостаточно усилий для ограничения глобального потепления в пределах 1,5°C. Необходимо срочно договариваться о том, как быть с соглашением по климату в условиях выстраивания нового железного занавеса. В атмосфере и океанах планеты барьеров нет – последствия затронут все страны.
