Современные аспекты угольно-водородной энергетики

На заре индустриального общества благодаря углю экономика качественно изменилась: заработали паровые машины, задымили заводы и фабрики. Это самый доступный и дешевый энергоноситель, запасы которого есть практически повсеместно, а в России они просто колоссальны. При этом недостатки угля как топлива также велики: сгорает он грязнее, чем мазут или газ, а самые дешевый бурый угольсодержит много влаги, поэтому его сложно и нерентабельно перевозить на большие расстояния (в отличие от нефти и газа, транспортируемых по трубам). Кроме того, угольные разрезы Сибири уникальны, поскольку добыча производится самым эффективным и безопасным открытым способом, в то время как в мире большую часть угля добывают по старинке – в шахтах. В Европе эти шахты сейчас закрыты, так как западноевропейские страны за последние 20–25 лет перевели свою энергетику на использование природного газа. Процесс перевода энергетики с угля и нефти на газ когда-то назвали «газовой паузой» в том смысле, что до полномасштабного овладения термоядерной или водородной энергией человечество может воспользоваться голубым топливом.

С 1900 по 2000 гг. потребление энергии в мире увели-чилосьпочти в 15 раз. В качестве первичных источников используются нефтепродукты (34,9 %), уголь (23,5 %), природный газ (21,1 %), ядерное топливо (6,8 %) и возобновляемые источники – ветер, Солнце, гидро- и биотопливо (13,7 %).

ПотребностьРоссии в электроэнергии удовлетворяется в настоящее время наличием электростанций, суммарной мощностью превышающих 215 млн кВт. Свыше 20 % из них составляют гидроэлектростанции, более 10 % – атомные электростанции и почти 70 % – тепловые электростанции (ТЭС), работающие в основном на природном газе и твердом топливе – энергетическом угле.

Эту ситуацию лауреат международной энергетической премии «Глобальная энергия» академик А. Е. Шейн-длин прокомментировал так: «Говоря об использовании природного газа, позволю себе высказать крамольную мысльо необходимости прекратитьв нашей стране ориентироваться на использование природного газа как основного топлива в электроэнергетике. В электроэнергетике должна бытьразработана и осуществляться государственная программа перехода прежде всего на уголь и другие сравнительно малоценные первичные источни- ки энергии – отходы от газонефтепереработки, сланцы, бытовые отходы, топливо с выработанных и малодебитных месторождений, попутные газы при нефтедобыче ит. п. Говоря об использовании угля, запасы которого у нас в стране исключительно велики, следует обратить особое внимание на наблюдаемое за последние 10–20 лет практически полное прекращение фундаментальных исследований и новых технологических разработок по эффективному использованию угля в энергетике. Здесь и работа по эффективному, экологически чистому сжиганию угля, энергетическому его использованию, переработке угля для получения синтетического жидкого и газообразного топлива, его обогащению вплотьдо брикетирования, решение сопутствующих экологических проблем его широкого применения. Нам представляются необходимыми решительные меры перевода тепловой электроэнергетики с преимущественной ориентировки на природный газ в направлении угля».

И с этим мнением нельзя не согласиться за исключением того, что одна уникальная инновационная технология в России все-таки появиласьи называется она «Термококс».

Группой ученых Сибирского федерального университета, Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук и компании «Сибтермо» разработана, запатентована и уже много лет промышленно применяется, в том числе и за рубежом, серия технологий, позволяющих получатьиз огромных запасов самого доступного угля как минимум четыре дорогих и крайне необходимых компонента: тепло, электроэнергию, кокс и водород. Суммарные выбросы при этом в 20–30 раз ниже, чем при сжигании угля на традиционных ТЭС и ГРЭС, при полном отсутствии золоотвалов, которые в России ежегодно увеличиваются на 40 млн т.

Основной физический принцип, лежащий в основе этой технологии, – это эффект обратной термической волны. Сутьего заключается в том, что при организации технологического процесса с применением данного эффекта угольразделяется на две составляющие – твердую и газообразную.

Твердая составляющая представляет собой мелкозернистый коксовый остаток с калорийностью около 29 МДж/кг (7 000 ккал/кг). Этот остаток является высокоактивным углеродным восстановителем, который имеет ши- рокие перспективы применения как компонент пылевидного топлива для вдувания в домны, как технологическое топливо в цементной промышленности, при производстве глинозема и т. п. Данный продукт является более эффективным и дешевым заменителем классического кокса, производимого из дефицитных марок коксующихся углей.

Газообразная часть представляет собой топливо с удельной теплотой сгорания 1 035 ккал/нм3 и является заменителем дорогих видов топлива в самых разнообразных приложениях: мазута в котельных, дизельного топлива в поршневых электростанциях и т. д., а также заменителем экспортно-ориентированного стратегического товара – природного газа. Но самое примечательное свойство этого газа – наличие в нем 20 % чистого водорода.

Следует обратитьвнимание, что эта технология уже давно применяется в реальной экономике. Приведем несколько примеров.

Фабрика по производству буроугольного кокса ЗАО «Карбоника-Ф» (Красноярск) рентабельно работает уже 12 лет, попутно выпуская сорбент, и бесплатно подает горячую воду в городскую теплосеть, поскольку основная прибыльполучается от продажи буроугольного кокса.

Установка по газификации угля для сушки зерна изготовлена и запущена в эксплуатацию в сентябре 2007 г. на ОАО «Балахтинский хлеб». Установка окупиласьза один сезон. Удельные затраты на сушку 1 т зерна при сжигании дизтоплива составляют более 200 руб., сырой нефти – 120 руб., газа из угля ~ 30 руб. Таким образом, себестоимость 1 т товарного зерна при сушке газом из угля снижается на 90–170 руб. Газификатор может работатьна различных видах топлива: торфяных брикетах, опилках, сланцах и др. В ноябре 2010 г. при софинансировании со стороны Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности запущен серийный образец установки, что крайне актуально для сельского хозяйства в масштабах страны.

Модернизирован энергетический котел КВТС-20 на разрезе «Березовский-1» ОАО «СУЭК». Этот котел, реконструированный под выпуск кокса, выдает паспортную тепловую мощностьи производит 20 тыс. ткоксав год. При сохранении действующего энерготарифа кокс имеет условно нулевую стоимость. При расчете от обратного цена кокса с избытком перекрывает эксплуатационные затраты, а тепло имеет условно нулевую стоимость. При этом в 20–30 раз снижено количество вредных выбросов и отсутствуют золоотвалы.

В 2008 г. введен в эксплуатацию комплекс по газификации и брикетированию кокса компании Tugrugnuuryn Energy Co., Ltd. (Монголия). В июле 2010 г. компания «Сиб-термо» заключила контракт на реконструкцию ТЭЦ-2 в Улан-Баторе по технологии «Термококс-КС». Кокс будет использован как для производства бездымного бытового топлива (брикетов), так и для экспорта в Китай.

Разработаны энергоблоки малой мощности – от 100…200 кВт до 2…3 МВт, работающие на угольном газе. Такой энергоблок является аналогом дизельного электрогенератора, но работающим не на дизтопливе, анаго-рючем угольном газе. Топливная составляющая в стоимости 1 кВт· ч снижается с 4,3 руб. (при цене дизтоплива 15 тыс. руб./т) до 0,8 руб. (приценеугля450руб./т), т. е.

как минимум в пятьраз. Окупаемостьэнергоблока достигается за 3 000…4 000 ч работы. Проведены его опытные испытания. Пилотный энергоблок по заказу Латвии совместно с Чехией планируется установитьв Академгородке Красноярска.

Газовое топливо из угля может использоваться как заменительклассических видов топлива в самых разнообразных отраслях промышленности:

• –    в печах обжига известняка, магнезита, других стройматериалов и руд;

• –    на кирпичных заводах;

• –    в сушильных агрегатах различного назначения;

• –    котельных на угле, природном газе или мазуте;

• – газопоршневых электростанциях;

  – сельском хозяйстве при сушке зерна, производстве спирта, сахара и других процессах термической переработки продукции.

На основе принципа обратной термической волны также разработаны кардинально новые технологии, экономическая эффективностькоторых кратно превосходит известные зарубежные аналоги, – технологии получения синтез-газа для производства жидкого топлива из угля, превращения угля в заменитель природного газа (метана) и получения водорода.

Все технологические процессы готовы к немедленному коммерческому использованию.

Отдельно остановимся на получении водорода. Технология «Термококс» кардинально меняет устоявшееся мнение, обобщенное академиком А. Е. Шейндлиным: «Водород нельзя называть источником энергии. В природе он находится в связанном виде, входя в состав воды, тех или иных природных углеводородов, биомассы, различных органических отходов. Получение водорода из этих химических соединений требует затрат энергии. Поэтому водород следует рассматриватькак искусственный промежуточный энергоноситель…».

В технологии «Термококс» водород легко выделяется из угольного газа с помощью мембранной технологии. Мембранная технология уже хорошо изучена и применяется уже более 20 лет. Основное преимущество водородных мембранных установок заключается в их простоте и надежности при небольших весе и габаритах. Таким образом, основная задача водородной энергетики будущего – получение дешевого водорода – может бытьре-шена благодаря технологии «Термококс».

Применение технологии «Термококс» позволяет добиться следующих результатов:

–в области энергетики – нефтегазозамещение, автономное энергоснабжение ЖКХ, промышленности и сельского хозяйства, создание новых видов топлива (водорода, генераторного газа, угольной суспензии, топливных брикетов, жидкого топлива и др.);

– экономики – двукратная эффективностьпри комплексном использовании бурых углей в энергетике и металлургии;

– экологии – снижение атмосферных выбросов в несколько раз при полном отсутствии шламовых полей и золоотвалов;

–в социальной сфере – производство дешевого газа из угля, которое позволит радикально снизить или зафик- сироватьтарифы на тепло и электроэнергию для населения, обеспечитьпроизводство дешевых стройматериалов и соответственно – доступное жилье. Строительство (реконструкция) ТЭЦ и ГРЭС по технологии «Термококс» обеспечивает создание новых рабочих мест на высокотехнологичных производствах.

2 июля 2009 г. Президент Российской Федерации Д. А. Медведев провел в Архангельске совещание по энергоэффективности, на котором с сожалением констатировал, что Россия радикально отстала от ведущих стран в области энергетических технологий (энергоемкостьВВП в 3,5 раза больше, чем среднеевропейский показатель). В то же время сложившаяся к настоящему времени промышленная структура отторгает любые инновации. Однако без радикального изменения ситуации в области энергопотребления вступление России в ВТО приведет к тому, что она окажется просто неконкурентоспособной на мировом рынке.

Согласно Энергетической стратегии России до 2020 г., в топливном балансе страны предусматривается последовательное замещение природного газа углем. По разным сценариям развития объем его потребления к 2020 г. должен возрасти в 1,5–2 раза. Адля обеспечения экологической безопасности страны необходимо создание эко- логически чистых энерго- и ресурсосберегающих малоотходных и безотходных технологий, обеспечивающих рациональное производство и использование топливноэнергетических ресурсов, снижение выбросов (сбросов) загрязняющих веществ в окружающую среду.

Красноярскими учеными выполнен большой объем работ в Монголии, Латвии, готовятся к реализации контракты в Турции. Большой интерес к технологии «Термококс» проявляется со стороны Южной Кореи, Австралии, Индии, Индонезии. Весьма вероятно, что после строительства первого монгольского крупномасштабного предприятия, основными инвесторами которого являются китайские фирмы, технология «Термококс» безвозвратно, контрафактным путем уйдет в Китай, который богат бурым углем, импортирует кокс, нуждается в энергии и оченьбыстро развивается.

России от угольной до водородной энергетики действительно остался только один шаг. И сделать его, безусловно, должно только руководство страны. И не уговорами, а решительным законодательным образом. Необходимо собрать за одним столом металлургов, угольщиков, коммунальщиков, энергетиков и объявить им о полной термококсизации всей страны, а за выбросы и отходы назначить штрафы вплоть до полного банкротства.

S. G. Bayakin, M. C. Zalikhanov

MODERN ASPECTS OF COAL-HYDROGEN POWER

The basic ecological power and economic problems connected with use of traditional coal power technologies are discussed. Advantages of the newest approach to use of the young coals, consisting in power technological processing with simultaneous manufacture of thermal and electric energy, коксовой production and hydrogen are described. Industrial examples of use of technology are presented “Thermocoks” in Russia and abroad.