Размышления о некоторых проблемах энергетики

Позволю себе предложить Вашему вниманию размышления о некоторых важных проблемах энергетики, основанные на более чем 60-летнем опыте деятельности в области энергетической науки, ее прикладного применения и данных современного положения дел в энергетике.

Развитие и совершенствование энергетики должны проводиться на основе достижений фундаментальной и прикладной науки, разработки новых технологий, позволяющих создавать высокоэффективное энергетическое оборудование, и, наконец, с учетом огромной роли энергетики для страны и мира, возможности на основе технико-экономического анализа принимать соответствующие политические решения.

Надо сказать, несколько пафосно, что энергетика и в большой степени ее электроэнергетическая составляющая во многом определяют безопасность государства.

До последнего времени отечественная электроэнергетика была одной из лучших в мире. Основанием для такого заключения является созданная на основе достижений науки вполне современная технологическая база, позволявшая нашему энергомашиностроению полностью обеспечить потребности отечественной электроэнергетики.

Важной положительной стороной нашей электроэнергетики помимо наличия хорошего обеспечения генерирующими мощностями являлось создание уникальной Единой Энергетической Системы — ЕЭС России.

Начало ее создания относится ко второй половине 50-х годов прошлого века, когда с пуском Куйбышевской, а затем и Сталинградской _ уникальных для того времени гидроэлектростанций (теперь Волжская ГЭС им. В. И. Ленина и Волжская ГЭС в г. Волжском соответственно) _ были построены протяженные — длина одной цепи около 1000 км — системообразующие линии электропередачи напряжением 500 кВ, соединившие Московскую, Куйбышевскую (Самарскую) энергосистемы и энергосистемы Урала.

ЕЭС России — одна из самых надежных энергосистем в мире. За все годы ее существования не было крупных аварий, подобных тем, которые систематически происходят в других странах, в том числе имевших место в последнее время в США, Великобритании, Италии и др. Высокая живучесть ЕЭС России, т. е. способность противостоять развитию нарушений, возникающих в отдельных ее частях, является следствием высокой степени ее организации и оснащенности эффективной противоаварийной автоматикой. В ЕЭС России на 8 млн кВт снижается потребность в рабочей и резервной мощности за счет параллельной работы электростанций, расположенных в разных часовых поясах. В концепцию развития ЕЭС были заложены принципы концентрации мощностей и централизации энергоснабжения. В настоящее время протяженность электрических сетей всех напряжений в ЕЭС России составляет свыше 2,5 млн км, в том числе системообразующих, напряжением 220−1150 кВт, _ более 150 тыс. км.

Потребность России в электроэнергетике удовлетворяется в настоящее время наличием электростанций, суммарной мощностью превышающих 215 млн кВт. Свыше 20% составляют ГЭС, более 10% - АЭС и почти 70% - тепловые электростанции (ТЭС), работающие в основном на природном газе (63%) и твердом топливе (28%). В структуре отечественной энергетики значительное место занимают ТЭС на сверхкритические параметры пара с энергоблоками мощностью 250, 300, 500, 800 и 1200 мВт.

Необходимое количество энергии определяется, как известно, потребностями экономики в широком ее понимании, включая и социальную ее составляющую. В настоящее время эти потребности по секторам экономики распределяются примерно следующим образом:

• — промышленность- 33%
• — коммунальный сектор- 37%
• — транспорт- 19%
• — сельское хозяйство- 3%
• — нетопливные нужды- 8%

По всем прогнозам, планируется рост потребления энергии, который обычно связывают с энерговооруженностью населения (т.у.т./душу. год). Однако нельзя считать, что можно беспредельно наращивать потребление энергии.

Задача состоит в том, чтобы, используя меньшее количество энергии, получать больший результат.

Обычно эту тенденцию называют повышением энергоэффективности:

• — повышение эффективности использования первичных источников энергии, т. е. увеличение КПД преобразования энергии;
• — снижение прямых потерь на всех этапах;
• — переход на менее энергоемкие технологии;
• — использование более эффективного оборудования при конечном потреблении энергии.

Следует, однако, заметить, что в настоящее время положение дел в энергетике изменилось, и в основном не в лучшую сторону.

Рассмотрим ряд проблем, стоящих, с моей точки зрения, перед энергетикой.

Бурное развитие электроэнергетики в целом и теплоэнергетики в частности в 50−60-е и последующие годы вывело российскую энергетику на передовые позиции в мире. Вместе с тем в последние годы обострился процесс физического и морального старения электростанций и сетей, которые сооружались по проектам 50-летней давности и в настоящее время не соответствуют ужесточившимся требованиям к энергоустановкам в области экологии, эффективности топливоиспользования, надежности и безопасности. Поэтому из всего спектра проблем, накопившихся в электроэнергетике, на первый план вышли задачи ее технического перевооружения.

Достижение высокой степени, указанной выше энергетической эффективности — главная цель технического перевооружения электроэнергетики и прежде всего ее основной части — теплоэнергетики. Обновление морального ресурса, то есть переход на новый уровень энергетических технологий, обеспечивающих существенно более высокие показатели энергоэффективности и, как правило, защиты окружающей среды и надежности _ единственный способ достижения этой цели.

Если КПД по выработке электроэнергии на лучших отечественных паросиловых ТЭС, работающих на газе, не превышает 39%, то на современных парогазовых установках (ПГУ) его величина составляет 55−60%, а выбросы в атмосферу вредных веществ, например, окислов азота, в расчете на 1 кВтч, на порядок ниже, чем в паросиловых установках. Основу таких ПГУ составляют газовые турбины большой мощности с КПД, приближающимся к 40%, и температурой газа на входе до 1500 °C. Ежегодный ввод ПГУ в мире в последнее десятилетие составил около 85 млн. кВт, а в текущем десятилетии составит 107 млн кВт, или почти половину всех вводимых в мировой электроэнергетике мощностей. В России из установок подобного класса введен в эксплуатацию лишь один энергоблок ПГУ-450 на Северозападной ТЭЦ Ленэнерго. Этого явно недостаточно.

Применительно к угольной теплоэнергетике продвижение вперед означает также совершенствование и развитие термодинамических циклов на основе повышения параметров пара — давления и температуры. Этот процесс проходил в течение всего прошлого столетия и особенно интенсивно _ во второй его половине. Теплоэнергетика России последовательно прошла низкие, высокие и сверхкритические параметры пара вплоть до 240 атм. и 545/545°С, которые были освоены в 60-х годах.

В настоящее время в развитых странах освоены газовые и угольные энергоблоки на давление 300 атм. и температуру 600/620°С. Их КПД 44−45%. В ближайшие10−12 лет в Европейском Союзе будет создан пылеугольный энергоблок с параметрами пара 350 атм. и 700−800°С. КПД таких энергоустановок составит 54−55%. В России подобные работы проводились в 60-е годы. Тогда на Каширской ГРЭС был создан уникальный предвключенный энергоблок СКР-100 мощностью 100 мВт с параметрами пара 315 атм. и 650 °C. В этот период отечественная теплоэнергетика имела мировой уровень в области новых разработок. В настоящее время у нас такого оборудования нет, если не считать экспериментальный котел небольшой паропроизводительности, длительное время надежно работающий во Всероссийском Теплотехническом институте. То же можно сказать и о других технологиях и использовании полученного при переработке угля газа в высокоэффективных ПГУ, сжигании низкосортных топлив в кипящем и циркулирующем кипящем слое и т. д. Это отставание консервирует существующие устаревшие технологии и в ближайшие годы может болезненно отразиться на экономике страны.

Необходимы решительные действия по проведению указанных выше и других подобных работ в технологической области.

Изучение свойств веществ, применение которых может быть эффективно использовано в энергетике, представляет собой важную задачу фундаментальной науки.

Знание ряда таких свойств подчас открывает совершенно неожиданные перспективы.

Набор новых веществ для их изучения почти беспределен, если исходить из возможностей их синтезирования.

Однако существует довольно широкий ряд веществ, возможности применения которых в энергетике уже сегодня представляются перспективными.

Нет полной ясности о характере плавления углерода, и даже величина температуры плавления не уточнена. Если такие фазы углерода, как графит и алмаз, хорошо изучены, то недавно синтезированные новые структуры углерода, как, например, фуллерены и карбин, изучены недостаточно, а по карбину вообще у ряда исследователей, по существу, имеется много неясностей.

А ведь уже сейчас новое в использовании углерода в энергетике активно просматривается. Соответствующей обработкой углерода представляется возможным достичь такой структурной его особенности, при которой образовываются так называемые нанотрубки, которые позволяют затем применять этот материал, например, для эффективной сорбции водорода. Это может обеспечить решение проблемы хранения водорода при использовании его в водород-воздушных топливных элементах.

Другой пример необходимости проведения широких исследований относится к весьма перспективному ядерному топливу на основе нитрида урана. Как известно, в настоящее время в ядерной энергетике широко используется ядерное топливо на основе диоксида урана.

Нитрид урана и другие нитридные соединения обладают большей, чем диоксид урана, теплопроводностью, и уже только это существенно благоприятно влияет на работу твэлов и всю активную зону реактора.

Однако если диоксид урана и его конкретное применение в ядерной энергетике хорошо изучены, то это нельзя сказать о нитриде урана. Нужны широкие исследования в этой области, в том числе и с облученным материалом в горячих камерах.

Как известно, наиболее эффективными теплоносителями для перспективных энергетических установок — в первую очередь для установок атомной энергетики с реакторами на быстрых нейтронах — являются жидкие металлы.

Уникально высокая теплопроводность металлов определяет наилучшие теплосъемные характеристики жидкометаллического теплоносителя, а низкое давление насыщенного пара обеспечивает преимущества в конструкции оборудования и удобство в его эксплуатации.

Максимально близкой перспективой применения в качестве теплоносителей обладают щелочные металлы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий), характеризующиеся низкими температурами плавления и плотностью.

Особенно интересными в этом плане являются двойные и тройные сплавы щелочных металлов. Варьирование компонентного состава этих сплавов дает возможность, во-первых, регулировать их свойства в зависимости от требований эксплуатации установок, а во-вторых, максимально расширить рабочий температурный диапазон жидкой фазы как в сторону высоких, так и в сторону предельно низких температур.

В качестве примера на фиг. 5 изображена диаграмма фазового равновесия тройной системы Na-K-Cs. Эвтектическая точка этой системы (состав указан на рисунке) имеет температуру плавления Т = 195 К (t = - 78 °С) и является самой низкотемпературной из известных на Земле металлических жидкостей, оставаясь жидкой практически в любых земных условиях. Одно из технологических преимуществ таких сплавов состоит в отсутствии необходимости расплавления теплоносителя, что крайне существенно ввиду изменения объема металла при плавлении.

Наряду с созданием теплоносителей с широким температурным интервалом существования жидкой фазы представляют интерес эвтектики многокомпонентных систем как фазопереходные аккумуляторы тепла.

На основе 3- и 4-х компонентных систем, состоящих из Li, Na, K, MgF, Cl, Br, So4, удается создать эвтектические системы, которые плавятся в интервале температур 500−600°С, наиболее интересном для использования в солнечных электростанциях. Важно, что эти эвтектики имеют высокую теплоту плавления/затвердевания — на уровне 500 кДж/кг.

Очень интересно изучение целой группы веществ с так называемыми необычными свойствами, например, вещества с сохранением памяти и другие.

Говоря об интересных задачах в области фундаментальных исследований процессов, могущих иметь большое значение для энергетики, назову для примера два таких процесса.

Как известно, прикладное значение науки в области магнитной гидродинамики для энергетики связано, в частности, с возможностями создания высокоэффективных плазменных МГД-установок. Основными трудностями при этом являются сравнительно низкая эффективная электропроводность рабочего тела (плазмы) и требуемая высокая напряженность магнитного поля.

Представляет большой интерес изучение различных процессов получения нужных высоких значений эффективной электропроводности плазмы путем создания нужной для этой цели неравновесности с минимальной затратой энергии.

Совсем другие, весьма важные для энергетики процессы, должны изучаться при применении принципиально новых рабочих тел в различных поисковых видах термодинамических циклов, а также ряда новых теплоносителей в перспективных энергетических установках. Типичным примером таких исследований является широкое изучение гидродинамики, теплообмена и коррозионных характеристик свинца с соответствующими добавками. Этот теплоноситель предлагается рядом специалистов для применения в имеющем определенные перспективы новом виде ядерного реактора _ на быстрых нейтронах.

Сказанное здесь только иллюстрирует подход к проведению крайне необходимых для энергетической науки фундаментальных и соответствующих прикладных широких исследований, без которых нельзя говорить о необходимом совершенствовании энергетики.