Будущее электроэнергетики за ТОТЭ
Основа любой безопасности – энергетическая безопасность, основа энергетической безопасности России – ее угольная промышленность
Уголь сегодня, как и 300 лет назад, остается основным энергоносителем и сохранит свою роль в течение ближайших 70-100 лет или более, так как этому обстоятельству в обозримом будущем нет альтернативы.
В обоснование данного утверждения можно привести ряд доказательств.
Сегодня в мире потребляется около 8 млрд тонн угля, что превосходит по теплоте сгорания другие источники – нефть и нефтепродукты, газ, ядерное топливо, электроэнергию ГЭС и пр. Из угля производится 40% мирового объема электроэнергии (больше, чем из любого другого энергоносителя). По прогнозам специалистов в ближайшие 40 лет этот процент будет расти и в абсолютном, и в относительном выражении. Также по прогнозам экспертов будет расти доля угля в объеме первичной энергии и к 2050 году достигнет 50% от общего объема производства энергии или, в абсолютном выражении, увеличится более чем в 2 раза. И это объективный процесс, поскольку удельная энергоемкость угля из расчета на единицу стоимости (кВт·ч/$) самая высокая, что легко подтверждается расчетами. Удельную энергоемкость из расчета на единицу стоимости мы вычисляем как удельную теплоту сгорания, отнесенную к стоимости единицы веса.
Данный результат можно наглядно отобразить на графике:
Учитывая высокую технологичность газа, рост темпов его потребления и дефицит запасов в Земной коре, голубой столбик вскоре может опуститься на уровень красного.
Кроме того, заключенная в угле энергия и наиболее сконцентрирована, что подтверждается сравнением значений удельной энергоемкости энергоносителей из расчета на единицу объема (кВт·ч/м3, ось ординат), а значит – и самая качественная, что отчетливо видно на следующей диаграмме . Во всех расчетах мы измеряем не массу, а вес, используя для этого соответствующие единицы – килограмм-силы (кгс ).
Поскольку последние годы бурно развиваются электромобили и дата-центры, потребляющие электроэнергию во все возрастающих количествах, значительно опережающих темпы роста производства электроэнергии, остается вопрос: какой из способов преобразования угля, нефти или газа в электроэнергию – наиболее эффективный.
Ответ известен – химические источники тока, осуществляющие прямое преобразование энергии химических связей топлива в электроэнергию и имеющие электрический КПД в 2-2.5 раза выше, чем у тепловых электростанций с паровыми или газовыми турбинами и турбогенераторами. А из множества топливных элементов наиболее эффективны твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ, Solid-oxide fuel cells, SOFC).
Причины очевидны: ТОТЭ обладают наивысшим из топливных элементов электрическим КПД (60-70%), всеядны – работают на угле и на всех видах углеводородного топлива, и высокоэкологичны.
В обоснование вышесказанного можно привести доводы из доктрины компании Rolls-Royce Plc – мирового лидера в производстве авиационных и энергетических турбин:
«Rolls-Royce Plc имеет опыт системной интеграции нескольких различных типов топливных элементов, и считает, что твердооксидный топливный элемент является лучшим для стационарного производства электроэнергии, сохраняя при этом возможность его дальнейшей разработки для различных транспортных, военных и морских применений.
Размеры и вес, подходящие для распределенной генерации с потенциалом плотности мощности, в 2.5-3 раза выше, чем у лучших авиационных турбин.
Уникальная модульная конструкция позволяет осуществлять горячую замену на месте эксплуатации без прерывания подачи топлива и расширенную техническую поддержку с помощью современных диагностических систем.
Малое количество деталей и отсутствие компонентов с низкой износостойкостью обеспечивают 20-летний потенциал – 160 000 часов общего срока службы.
Систему можно настроить на использование угля любого качества, любых видов углеводородного топлива: природного газа, жидкого топлива, а также альтернативных видов топлива, таких как биомасса.»
Также, по свидетельству других ведущих разработчиков и производителей твердооксидных топливных элементов – General Electric, Westinghouse Electric, Siemens, Toyota и др., твердооксидные топливные элементы являются самым перспективным решением для электроэнергетики будущего: как для стационарного производства электроэнергии, так и для мобильных применений, для морского, железнодорожного, автомобильного и авиационного транспорта.
Вместе с тем производство твердооксидных топливных элементов развивается со скрипом, а Rolls-Royce, General Electric, Westinghouse Electric, Siemens и др. продолжают массово производить для энергетики газовые и паровые турбины.
Причины, препятствующие широкому использованию твердооксидных топливных элементов, известны.
Ниже приведено устройство и схема работы твердооксидного топливного элемента, на примере которых можно пояснить, в чем причина непопулярности твердооксидных топливных элементов.
На текущий момент для производства ключевого элемента ТОТЭ – электролита (кислородопроводящей мембраны) – применяется керамика из оксида циркония, легированного оксидом иттрия (YSZ). Низкие прочностные свойства керамики требуют достаточно большой толщины электролита (150-200 мкм). Чтобы при такой толщине электролита обеспечить достаточную плотность ионного (О2-) тока, необходимо греть электролит до температур 850-900°С, что при быстром нагреве может привести к быстрому разрушению электролита из-за различия коэффициентов теплового расширения электролита, анода и катода, и в силу этого требует постепенного длительного (5-8 часов) выхода на рабочий режим.
Второе дыхание у твердооксидных топливных элементов открылось с применением электролита из тонкопленочного монокристаллического майенита (Ca24Al28O66), который имеет достаточные прочностные свойства при толщине 20 и даже 10 микрон, не испытывает проблем при быстром нагреве и, в силу уникальности своей структуры, обладает иным, чем керамика, более эффективным механизмом ионной проводимости, за счет чего способен обеспечить на порядок более высокую, чем YSZ, удельную ионную проводимость по кислороду.
Центром разработки и внедрения электролита на основе тонкопленочного монокристаллического майенита и других инновационных технологий при производстве твердооксидных топливных элементов в России является Новосибирск в лице таких предприятий и учреждений, как НЭВЗ-СОЮЗ, НЭВЗ-Керамикс, Институт силовой электроники НГТУ-НЭТИ, Институт катализа, Институт неорганической химии и др.
Однако, несмотря на высокие научно-технические достижения российских разработчиков топливных элементов, доля электростанций на топливных элементах в общем объеме электрогенерирующих мощностей в России ничтожна.
В то же время потребность России в электростанциях на ТОТЭ оценивается, по данным Научно-консультационного центра экспертизы Миннауки РФ, в 160 ГВт, что составляет более 80% мощности действующих в России ТЭС, на которых эти 160 ГВт могут быть введены дополнительно, без увеличения объема потребляемых газа и угля.
С внедрением в промышленных масштабах производства электроэнергии с применением твердооксидных топливных элементов себестоимость электроэнергии, производимой на электростанциях на твердооксидных топливных элементах из водоугольной суспензии с содержанием С:Н2О в молярном отношении 1:1, можно снизить до 15-20 копеек за кВт·час, при стоимости установочной мощности ~ $100/кВт.
Это приведет в ближайшие 10-15 лет к замене турбин с турбогенераторами на электростанции на твердооксидных топливных элементах.
В результате с освоением массового производства электростанций на ТОТЭ газовые и паровые турбины с турбогенераторами будут вытеснены из электроэнергетики так же быстро, как были вытеснены персональными компьютерами большие вычислительные машины ЕС, IBM, Burroughs и др. на рубеже 1988/9 годов.
В то же время могут возникнуть опасения, что низкая удельная стоимость электроэнергии, из расчета на единицу веса (или массы) потребляемого угля, снизит потребность в угле. Эти опасения не оправданы, наоборот, дешевая электроэнергия оживит промышленность и включится обратная связь – потребность в электроэнергии будет возрастать, что приведет к росту потребности в угле.
Наглядный пример – Китай. Нет никакого китайского «экономического чуда». Секрет прост. За последние 40 лет потребление Китаем угля возросло в 8 раз и превысило 4 млрд тонн, что составляет более половины потребляемого человечеством угля. Это и определяет процветание Китая, его экономическую и военную мощь, его торговую и политическую экспансию, это и есть китайское экономическое чудо.
Следует также отметить, что производство электроэнергии с применением твердооксидных топливных элементов, несмотря на то, что топливом служит уголь, не представляет экологическую угрозу для человечества. Для электростанций на твердооксидных топливных элементах нет, как для ТЭС, проблемы извлечения углекислого газа из дыма, CO2 можно без проблем собирать и в присутствии никелевого катализатора преобразовывать в карбонат кальция. В результате углекислый газ может храниться в самой безопасной из всех возможных форм – в виде карбоната кальция, простого мела, который составляет 4% массы Земной коры и уже хранит 1.5×1015 тонн углекислого газа.
Оценивая перспективу угля, следует заметить, что топливо для твердооксидных топливных элементов – синтез-газ – можно производить не только из угля, но и из природного газа, и из нефти, при этом его стоимость, даже при внутренних ценах на нефть и газ, будет в 1.5-2 раза выше, чем из угля.
Следует также учитывать, что мировые запасы нефти и природного газа в совокупности в 30 раз меньше мировых запасов угля, к тому же месторождения угля залегают значительно ближе к поверхности Земли, что облегчает его добычу. Доступные запасы энергии в угле огромны. Запасы только Тунгусского и Ленского угольных бассейнов составляют около 8 трлн тонн угля, что по энергосодержанию в десятки раз превосходит мировые запасы энергии в нефти и газе.
Исходя из приведенных данных можно с большой вероятностью утверждать, что эра угля продлится еще много десятилетий.
Поэтому – уголь, и только уголь – основа электроэнергетики на ближайшие 100 лет.
Что касается альтернативных источников энергии, то ветроэнергетика и солнечная энергетика не смогут заменить ТЭС – а значит, и уголь – в принципе.
Причина – нестабильность систем ветрогенерации и солнечной генерации.
О величине нестабильности ветрогенерации говорит тот факт, что при суммарной мощности установленных ветрогенераторов в 650 ГВт, годовая выработка элекроэнергии составляет лишь 1600 ТВт·ч, что не превосходит четверти от возможного объема.
Проблемы в сетях и диспетчеризации энергосистемы из-за нестабильной работы ветрогенераторов начинаются уже при достижении ветрогенераторами доли в 20% от общей установочной мощности энергосистемы. При доле ветрогенерации в 20% еще возможно компенсировать всплески и спады ветрогенерации за счет регулировки выработки электроэнергии тепловыми или атомными электростанциями. При этом, как показывает практика, чтобы нестабильность ветрогенерации не оказывала существенного влияния на работу всей энергосистемы, мощность компенсирующих нестабильность ТЭС или АЭС должна в 5 и более раз превышать установочную мощность ветрогенераторов.
Страны, которые гордятся своими достижениями в сфере ветрогенерации – Дания, Ирландия, Португалия и т. п. – должны иметь рядом значительно более мощные буферные источники электрической энергии в виде ТЭС или АЭС, что они и имеют в виде энергосистем Германии, Великобритании, Франции.
Достижение ветрогенерацией доли в 75-80% от суммарного мирового производства электроэнергии невозможно практически. Нестабильность ветрогенераторов можно отрегулировать посредством буфера из аккумуляторов. Но тогда, чтобы с аккумуляторным буфером доля ветрогенерации достигла 75-80% в мире и «чистая» электроэнергетика заменила все «грязные» ТЭС и АЭС, необходимо мировое производство аккумуляторов (по емкости) увеличить более чем в 100 раз, это с учетом того, что из всего спектра производимых аккумуляторов ставка будет сделана на самые энергоемкие литиевые (литий-ионные различных типов) аккумуляторы с удельной емкостью ~ 200-220 Вт·ч/кгс, что в принципе невозможно физически, так как в природе нет такого количества доступных месторождений лития. Кроме того, производство литиевых аккумуляторов исключительно грязное, и не очевидно, что при таком масштабе производства литиевых аккумуляторов будет выигрыш в экологическом плане. Другие виды аккумуляторов, удельная емкость которых в несколько раз меньше литиевых, можно просто не рассматривать.
Та же история, но со значительно большей потребностью в аккумуляторах, характерна для солнечных электростанций. Сверх того, СЭС дополнительно влечет за собой грязное производство ФЭПов (солнечных панелей).
Вывод – суммарная мощность ВЭС и СЭС не может превышать в общем энергетическом балансе 20%.
К тому же ВЭС и СЭС, при крайне низком коэффициенте полезного действия, имеют очень высокую стоимость установочной мощности, в результате чего ни одна ветряная электростанция и ни одна солнечная батарея пока ещё не выработали за весь срок своей службы столько энергии, сколько было потрачено на их производство, и, вполне вероятно, не окупят себя в будущем, так как со временем эксплуатационные затраты будут только возрастать.
Все эти факторы будут способствовать сохранению доминирующей роли угля.
Поэтому уголь был, есть и на ближайшие как минимум 100 лет останется основным источником для производства электроэнергии не только в мире, где сегодня более 40% электроэнергии вырабатывается из угля, но и в России, где сегодня лишь 17% электроэнергии вырабатывается из угля. Спад на текущий момент спроса на уголь на мировом и внутреннем рынке – явление временное, которое продлится максимум 10 лет, до начала массового внедрения электростанций на твердооксидных топливных элементах.
Форсирование разработки и внедрения электростанций на твердооксидных топливных элементах – главный стимул сохранения приоритета угля как основного энергоносителя для производства электроэнергии в России и в мире, и обеспечения опережающего развития угольной отрасли, в том числе, угольной отрасли России.
Поэтому обеспечить приоритет России в производстве электроэнергии из угля можно только ускоренной разработкой серийных образцов твердооксидных топливных элементов с тонкопленочным электролитом с использованием технологии производства микросхем, что позволит существенно снизить стоимость установочной мощности электростанций на ТОТЭ и сделает проект быстро окупаемым и более привлекательным для инвесторов.
Фактически стоит вопрос о создании новой отрасли – производства электроэнергии из угля с применением твердооксидных топливных элементов, которая позволит России подняться из экономической ямы, в которой она находится.
Олег Глебович Сосунов, заведующий лабораторией перспективных материалов и технологий Института силовой электроники
