С водневої енергетикою шляхом

С водневої енергетикою по пути

С.В. Жарков, кандидата технічних наук (Інститут систем енергетики їм. Л.А. Мелентьєва ЗІ РАН, Іркутськ).

Использование нетрадиційних і поновлюваних джерел енергії (НПДЕ) стає, судячи з усього, глобальної тенденцією: в останнім часом ринок установок з урахуванням НПДЕ відчуває бурхливий ріст в усьому світі. Основними стимулами його розвитку є збереження навколишнього середовища проживання і забезпечення екологічну безпеку; збереження запасів енергоресурсів для майбутніх поколінь; споживання сировини, що у ролі палива, інших галузях; підвищення енергетичній безпеці (незалежності) країн тлі зростання вартості палива, і навіть політизованості та політичної нестабільності ринку вуглеводнів; економічна ефективність використання НПДЕ у деяких важкодоступних районах, причому зона ефективності розширюється принаймні подорожчання палива, і навіть вдосконалення технологій використання НПДЕ; прагнення захоплення перспективних і дуже ємних високотехнологічних світових ринків, особливо в країнах (наприклад, дослідження з використанню енергії морських хвиль в Норвегії ведуться винятково з метою майбутнього експорту установок, оскільки країна, із надлишком забезпечена гидроэнергией).

С широкомасштабним впровадженням НПДЕ пов’язують і майбутнє настання доби водневої енергетики, заснованої на електролізі води і використовує паливні ресурси планети. Тому багато країн стимулюють використання НПДЕ, а провідні світові енергокомпанії, прагнучи диверсифікувати свій бізнес, вкладають великі кошти на розвиток технологій НПДЕ і водневої енергетики.

В зараз у світі з НПДЕ найвищими темпами розвивається вітроенергетика: приріст потужностей вітроелектростанцій (ВЕС) сягає 24−27% на рік, що становить близько 10 ГВт вартістю більш як 10 млрд. дол. Завдяки державну підтримку вартість вироблюваної ВЕС електроенергії протягом останніх 20 років знизилася на порядок — до 3−6 центів за 1 кВт • год. На жаль, Росія виявляє активності у цій галузі, хоча найперспективніші у розвиток вітроенергетики території розташовані саме в странe — це прибережні райони Крайнього Зевера і Далекого Сходу. Тут, воюрвых, дуже дороге паливо, завозимое на рік (ціна дизельного палива Опановує 15−20 тис. крб. за 1 т) і, возторых, високий ветроэнергетический потенціал (трохи північніше Тюмені починається зона ефективне використання ветроэнергии зі середньорічний швидкістю вітру більш 5 м/с), сезонні зміни величини якого відбуваються у фазі з коливаннями енергоспоживання, причому у цих районах вітер є практично єдиним доступним НПДЕ для заміщення палива. Але ці райони характеризуються також тим, що саме енергосистеми локальні (невеликі), що пред’являє високі вимоги до стабільності потужності енергоджерел, а потреби у теплі у кілька разів перевершують потреби у електроенергії, що підвалинами широко він ТЕЦ, які найефективніші саме за дорогому паливі. У той самий час суворий клімат, проблеми з доставкою запчастин і відсутність кваліфікованого персоналу змушують застосовувати найпростіші, надійні схеми і конструкції пристроїв від використання енергії вітру.

Таким чином, звичайна схема прямого включення ВЕС в мережу тут неприйнятна, оскільки випадає найбільш топливоемкий сектор енергопостачання — теплопостачання; потрібно вирішуватиме проблеми якості генерованою ВЕС електроенергії та резервування потужності (але це складно і дорого), тим більше, що відпрацьованою технології ВЕС, зокрема підтримки необхідного якості їхньої електроенергії, нашій країні немає. До до того ж паралельна робота ВЕС і ТЕЦ практично неможлива через низькою маневреності останніх.

В цьому сенсі представляється перспективним об'єднання ВЕС і ТЕЦ на єдиній комплексі. На відміну від закордонного досвіду, пропонується не включати ВЕС у елекроенергетичні системи (ЭЭС), а використовувати електроенергію ВЕС для прямого заміщення палива на теплових циклах газотурбінних (парогазових) установок — ГТУ (ПГУ): у вигляді электронагревателя (ТЭНа), встановленого в тракті ГТУ перед камерою згоряння палива, підігрівати повітря, що надходить у камеру згоряння. Відповідно знизиться споживання палива, зміною витрати якого підтримується задана температура газів на вході у турбіну.

Таким чином, у вигляді теплового циклу ГТУ усувається електрична зв’язок ВЕС мережею, отже, негативне вплив ВЕС на електроенергетичну систему і, виключаються проблеми забезпечення електроенергії та оперативного резервування потужності ВЕС в ЭЭС. за рахунок спільного використання теплофикации і вітру застосування схеми ГТУ-ТЭЦ + ВЕС дозволяє заощаджувати приблизно чверть палива проти ветродизельной схемою роздільного енергопостачання при однаковою потужності ВЕС, а при вирівнювання по енергетичної навантаженні — до 40% палива. З іншого боку, з’являється можливість зниження вартості ВЕС. Тому економічна ефективність використання вітру за схемою ГТУ (ПГУ) + ВЕС декому районів досяжним вже у час і зростатиме з розширенням зони ефективності принаймні подорожчання палива, і навіть вдосконалення технології ВЕС і збільшення масштабів їх використання. Звісно ж доцільним використання тут не початковому етапі знають щодо дешевих колишніх у вживанні зарубіжних вітроенергетичних установок (ВЕУ) через некритичності виходу з експлуатації ВЕУ, але налагодити виробництво вітчизняних, враховуючи можливі масштаби їх застосування як і країні, і там.

Объединение ВЕС, ГТУ (ПГУ) — ТЭф і котельних з урахуванням локальних мереж нестабилизированной електроенергії ВЕС дає можливість максимального витіснення органічного палива з енергобалансів віддалених районів через включення вітру у спектр використовуваних на ГТУ і котельних энергоресуров. Вітер, як відомо, другою — після температури повітря кліматичний napаметр, визначальний обсяги теплоспоживання. Застосування ВЕУ дозволить компенсувати підвищені втрати тепла, забезпечивши саме у вітряні періоди пікове надходження енергії потреби опалення. Коли щодо цих районів характерні високі середньорічні швидкості вітру (до 7−9 м/с), з урахуванням факту збіги сезонних коливань вітрового потенціалу зі змінами енергоспоживання така схема може забезпечити економію понад 50 відсотків% річного витрати палива.

Актуальность впровадження такий схеми зростає у зв’язку з прийнятими Росією по Кіотським протоколом зобов’язаннями з обмеження споживання палива, і навіть існуючої необхідністю заміни околицях Півночі і Далекого Сходу застарілих і зношених дизельних електростанцій і частини котельних сучасними невеликими ГТУ — ТЕЦ, які б відразу комплектуватися ВЕС. ГТУ привабливіші від використання на ТЕЦ, ніж дизельні двигуни, оскільки допускають велику волю виборі температурного графіка теплової мережі. У цьому через щодо слабкого впливу ККД ГТУ на паливну економічність комплексу ГТУ (ПГУ) + ВЕС то, можливо доцільний перехід на знижену температуру газу на вході у турбіну заради підвищення ресурсу й надійності роботи ГТУ. Це гарна можливість для енергомашинобудівних підприємств спочатку освоїти технологію у країні, та був і експортувати її. Тому необхідна державна підтримки цього проекту напрями через перспектив зменшити витрати на «північний завезення» палива й збільшити експорт машинобудівної продукції, особливо у близьке зарубіжжя і що розвиваються.

Технология ПГУ + ВЕС може також становити інтерес як суміщення проектів експорту виробляють ВЕС електроенергії та заміни експорту газу з шельфу північних морів РФ до Європи, а і з Сахаліну до Японії експортом електроенергії шляхом будівництва безпосередньо на газових родовищах великих електростанцій з урахуванням ПГУ, оскільки прибережні райони і шельфи мають значним вітропотенціалом. Слід враховувати, що через зниження температури повітря втрати у ЛЕП зменшуються взимку — під час найбільшого споживання електроенергії та посилення вітру. Можливе також використання цих природних особливостей зменшення нижньої температури циклу ПГУ (до негативних температур), застосовуючи паротурбінні установки на низкокипящих робочих тілах. Тим самим було повніше буде використано температурний перепад між джерелом теплоти (камерою згоряння ГТУ) й оточуючих повітрям.

Стоимость передачі великих електричних потужностей (кілька гигаватт) великі відстані кожну тисячу кілометрів становить близько 0.5 цента/кВт • год (чи 1.4 долл./ГДж, чи 40.3 дол./т у.п.) з втратами ~3.3% потужності. Це можна з втратами й видатками при транспортуванні газу (-3% і 20−30 дол./т у.п.), тому загальна економічна ефективність експорту газу й електроенергії майже однакова, але з урахуванням можливостей застосування перспективних ПГУ з підвищеним (до 60−70%) ККД і заміщення близько половини витрати палива на ПГУ енергією вітру варіант ПГУ + ВЕС може бути значно більше економічно привабливим, з урахуванням можливості реалізації нових технологій передавання електроенергії: ЛЕП постійного струму з перетворювачами на потужних польових транзисторах, надпровідних ЛЕП та інших.

Здесь можливо також приєднання чергового проекту — виробництва синтетичних рідких палив з газу за технологією «газ рідина» («gas-to-liquids» — GTL) з допомогою пара, теплової та електричної енергії ПГУ, тобто застосування станцій ПГУ + ВЕС як промислових ТЕЦ із скороченням витрати газу за власні потреби процесу GTL з допомогою вітрової енергії. Перспективність цього напряму зростає завдяки збільшення потреби у високоякісних бензині і дизельному паливі у мирі та прогнозованого зниження видобутку нафти на Росії. Оскільки можливо поступово (від початку) нарощування потужностей процесу GTL й обслуговуючих їх ПГУ і ВЕС, даний проект може бути реалізовано як початкового етапу (етап I), попереднього наступного етапу розвитку цій технології (етапу II) — експорту електроенергії.

Дальнейшим розвитком цього напряму то, можливо заповнення виробленого газового родовища воднем, отриманим шляхом електролізу води з допомогою електроенергії, виробленої на ВЕС (для цього їхні потужність поступово слід збільшити в 2−3 разу), зі спалюванням його за ПГУ замість газу у періоди вітрового затишшя (влітку). Оскільки обсяг газосховища припускає можливість сезонного і багаторічного регулювання споживання газу, такий технологічний комплекс згодом здатний перейти повністю за вітрову енергію з нульовими викидами (етап III), та був і утилізацію вуглекислого газу, поставленого з місць споживання енергії за існуючими газопроводах, із можливістю виробництва штучного рідкого палива для автотранспорту з допомогою накопиченого водню (етап IV), й експорту водню, а разі доцільності — і кисню (етап V).

Таким чином, від цього газу поступово можна можливість перейти до експорту енергії поновлюваного джерела, ресурси якого дуже великі й розташовані на півметровій великих територіях Росії із несприятливими проживання людей кліматичними умовами. У цьому зростає надійність збереження експорту енергоресурсів у майбутньому, зокрема за переходу до водневої енергетиці. Для фінансування відновлення всього комплексу інновацій може бути притягнуті інвестиції у межах механізму реалізації Кіотського протоколу, причому можливість суміщення послідовно реалізованих проектів взаємно підвищує їх економічну привабливість. Тут може бути також інтерес з боку іноземних виробників вітроустановок через наростання опозиції будівництва нових ВЕС у Європі, викликаної негативними візуальними і шумовими впливами існуючих ВЕС на населення.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.