Необходимость снижения мировой эмиссии СО2 и тепловой характер энергетики России могут существенно увеличить рентабельность нашей экономики. О том, как превратить холодный климат в преимущество, рассказал известный физик Валентин Данилов.
От команды Тион:
«Валентин Владимирович – очень яркий, содержательный и масштабный человек. Его идеи глобальны, для кого-то даже слишком. Бытует мнение, что время больших идей и больших людей прошло. Однако мы всегда будем верить, что здравый смысл непременно «прорастёт», как трава сквозь асфальт. Как говорил Лев Ландау, работать надо, а там, глядишь, и времена изменятся. И мы искренне рады работать в одной команде с такими людьми, как Валентин Данилов».
Есть проблема глобального потепления климата. Страны Киотского протокола создают «проекты совместного осуществления» и пытаются за счет них повысить энергоэффективность (снизить расход топлива) и, следовательно, выбросы парникового газа. Насколько эффективно работает система квот, показывает тот факт, что Япония вместо снижения выбросов пришла к их повышению.
За последние полвека концентрация CO2 в атмосфере Земли выросла более, чем на 30%:
Визуализация уровня выбросов CO2 за счет сжигания топлива:
На энергетический сектор приходится от 50 до 70% всех промышленных выбросов CO2. Этот факт определяет то, что в борьбе за снижение CO2 заметен акцент на возобновляемые источники. Но проблема этих источников в том, что они не стабильны. В безветренную и пасмурную погоду ветряные и солнечные электростанции вырабатывают энергию не столь эффективно. Это источники периодического действия. Поэтому необходимо использовать аккумуляторы, ресурс которых сильно ограничен. Они выдерживают только определенное количество циклов зарядки/разрядки. Если посчитать повышение цены электричества после перехода от угольных котельных и ТЭЦ на солнечные батареи, то получится внушительная цифра. Только в африканской Сахаре есть перспективы для солнечной энергетики.
Казалось бы, чистым безуглеродным источником энергии являются гидроэлектростанции (ГЭС). Но насколько ГЭС в России являются безуглеродными? При их строительстве затопляется большая площадь лесных массивов и растительности. Растительность благодаря фотосинтезу — это «стоки» CO2, и поэтому ГЭС тоже вносят свой вклад в увеличение концентрации этого газа в атмосфере. «Чернота» ГЭС зависит от того, какое количество биомассы было выведено из оборота после её строительства. К примеру, площади Красноярского моря и водохранилища новой Богучанской ГЭС исчисляются сотнями квадратных километров. Биологи могут точно сказать, сколько не утилизированного растительностью CO2 ежегодно остается в атмосфере. Я уже не говорю про Волгу, где создан каскад этих обширных водохранилищ.
Чем обогреваться в эпоху зеленой энергетики
В США производится электроэнергии в среднем 10 кВт на человека, а у нас на уровне 1-2 кВт. Для России актуальна выработка не электрической энергии, а тепловой, которой ежегодно вырабатывается около двух миллиардов Гигакалорий (Гкал). Этот объем превышает потребление тепла в США более, чем в 10 раз! Выработка каждой Гкал за счет сжигания органического топлива сопровождается в среднем эмиссией полтонны CO2. Теоретически, если мы перестанем сжигать топливо для получения тепла, а будем получать его иным способом, то мы снизим эмиссию CO2 на миллиард тонн. Чтобы было понятно, что это за масштаб: все обязательства Японии по снижению эмиссии СО2 составляют 250 миллионов тонн в год.
Зеленые технологии теплоснабжения — это утилизация сбросного тепла от производств в систему централизованного теплоснабжения, что дает снижение эмиссии CO2 за счет вытеснения сжигания угля в котельных.
Про уголь нужно поговорить отдельно. Сейчас в российской теплоэнергетике заметна тенденция замены угольных котельных на газовые, что продиктовано большей экологичностью последнего. Экологичность здесь, скорее, локальная, так как сводится к меньшему количеству шлако-золовых отходов, которых так много остается от сжигания угля. Это привело к тому, что у России сравнительно низкая доля использования угля в энергетике.
И это при том, что уголь, в силу своей дешивизны, является более подходящим топливом для энергетики. Особенно при таком теплопотреблении как в России. А углеводороды — это топливо движения.
Итак, одна из основных идей – совместить генерацию тепла и производство востребованных на рынке продуктов. Суммарная эмиссия СО2 при совмещении производства и теплогенерации снизится в двойку: тепло будет побочным продуктом производства.
В качестве примера можно привести технологию Термококс®. В ее основе лежит использование нестационарной слоевой газификации угля с применением обращенного воздушного дутья.
В этой схеме из угля с помощью автотермической реакции в газификаторе получается два продукта: термококс (угольный сорбент), используемый в металлургии, и горючий газ. Горение угля организовано таким образом, что фронт горения из верхней части газификатора после поджига движется навстречу потоку воздуха в нижнюю часть газификатора. Таким образом, термохимические реакции протекают перед фронтом горения, и его продукты (сажа, фенолы и прочие токсины) разлагаются в горячем слое и не загрязняют получаемый газ. Этот газ можно использовать в качестве топлива для водогрейных котлов и для привода газопоршневых машин, вырабатывающих электроэнергию. За фронтом горения остается среднетемпературный кокс (угольный сорбент). При определённом режиме получается угольный сорбент с развитой поверхностью до 500 м2/г.
В этой схеме наглядно показано, как газификатор вырабатывает два продукта горения (твердый и газообразный), каждый из которых готов к дальнейшему использованию.
А как это организовано сейчас?
Термококс производится отдельно: с выбросом в атмосферу СО2 и тепла (которое в этом случае является побочным продуктом). Котельные работают отдельно — и тоже с выбросом СО2. Что получается в итоге, даже при генерации тепла за счет сжигания газа?
При выработке тепловой энергии за счёт использования пропан-бутановой смеси при её калорийности (10 Мкал/кг) и цене (27 тыс. руб/т) себестоимость получается 2500 руб/Гкал. Всё равно, что отапливать дома ассигнациями, если говорить словами Дмитрия Менделеева. Кстати, новосибирский Академгородок отапливается именно таким неэффективным и дорогим способом от мазутных и газовых котельных. Для сравнения: при использовании малосернистого бурого угля Канско-Ачинского угольного бассейна себестоимость тепла составит 790 руб/Гкал. Если же стоимость использованного угля перенести на получаемый сорбент в технологии Термококс®, то тепло становится, грубо говоря, бесплатным.
Производство и применение угольного сорбента в экологических целях
Кроме термококса, используемого в металлургии, в газификаторах можно получать угольный сорбент, используемый для очистки воды в системах оборотного водоснабжения предприятий и в водоочистных сооружениях.
На минуту: оборотное водоснабжение — это когда предприятие не сливает свои жидкие отходы в реки и водоемы, а очищает воду и заново использует ее в производственном цикле. Если в Европе потребление угольного сорбента для этих целей достигает одного миллиона тонн в год, то российские предприятия чаще всего используют незамкнутое водоснабжение. Мы вообще безобразно живем. У нас контролируется только предельно-допустимая концентрация жидких отходов (ПДК). Наши заводы используют правило «чем больше воды, тем меньше концентрация», то есть разбавляют эту грязь до нужной концентрации и выливают в реку. Для справки в Красноярске за год в реку Енисей сливают более 300 000 м3 неочищенных стоков, но при годовом дебете Енисея 100 млрд м3 всё разбавляется.
Тем временем с помощью угольного сорбента в Германии очистили Рейн. 30 лет назад он был такой грязный, что был популярен анекдот: для проявления фотоплёнки, достаточно опустить ее в воду Рейна. А в прошлом году в этой реке был выловлен лосось. Теперь Рейн — одна из самых чистых рек Европы.
В Красноярске с 2000 года работает завод по производству угольного сорбента. Он производит 1000 тонн сорбента в год и подает в теплосеть 10 000 Гкал тепла. Работа этого завода приводит к сокращению эмиссии CO2 на 5000 тонн в год. Если бы наши предприятия увеличили потребление сорбента за счет внедрения оборотного водоснабжения, то на волне этого спроса можно заменить угольные котельные на заводы по производству сорбента. В любом случае есть большой международный рынок потребления угольного сорбента, и такой переход будет выгоден как коммерчески, так и с точки зрения снижения эмиссии СО2.
Замена котельных на энерготехнологические блоки
Так как самый эффективный способ производства энергии — это когенерация, то горючий газ от пиролиза угля в газификаторах нужно использовать в газопоршневых машинах, производящих и электричество, и тепло. На этой основе нужно создавать энерготехнологические блоки (ЭТБ).
Схема производственного кластера на основе газификации угля:
В таком кластере количество продуктов не ограничивается только электричеством и теплом. Горючий газ может быть использован для привода абсорбционных бромисто-литиевых машин, вырабатывающих холод для промышленных систем кондиционирования. Кроме этого в Екатеринбурге производят модульные дистилляционные установки с удельной затратой пара 0,066-0,68 Гкал/т дистиллята. Если мы включаем в схему ЭТБ холодильные машины и опреснители воды, то кластер превращается в целую автономную систему жизнеобеспечения, которая при этом производит востребованный на мировом рынке продукт (кокс или активированный уголь).
Мощность одного энергетического блока доходит до 10 МВт и он способен отапливать, снабжать электричеством, холодной и горячей водой до 5-6 тысяч человек:
Нужно использовать каждую возможность утилизировать тепло
Например, на цементных заводах используют угли с высокой теплотворной способностью. Но можно из бурого угля получить углеродный остаток, который использовать при производстве цемента вместо таких углей, а газ от пиролиза направить для получения тепла вместо сжигания угля в котельных. Улучшится экология цементных заводов, и снизятся вредные выбросы от угольных котельных.
Тепло, как отходы производства, получается при электролизе алюминия. Меньше половины электрической энергии идет непосредственно на электролиз, а 60% в виде тепла выбрасывается в окружающую среду. Если весь алюминий в мире производить в России и утилизировать возникающее при этом тепло, то тогда будет снижена эмиссия СО2, так как не будет сжигаться уголь в котельных.
Этой осенью я был на международном алюминиевом конгрессе в Красноярске, на котором генеральный директор РУСАЛа Соловьев признал, что «без решения проблемы снижения эмиссии CO2 РУСАЛу конкуренции на мировом рынке алюминия не выдержать». С большой трибуны было заявлено, что для них это приоритетная задача. Слова сказаны. Осталось за малым — сопроводить это делами.
Самый простой способ сделать алюминий «зеленым» — утилизировать тепло от электролизных ванн и подавать его в городскую теплосеть. В Красноярске это сделать легче, чем где бы то ни было, так как алюминиевый завод находится в городской черте миллионного города. Если собрать тепло от КрАЗа, то можно обеспечить горячей водой весь город и не сжигать для этого уголь вообще.
Будущее России за зеленой теплоэнергетикой и зеленой экономикой
Сейчас главная задача — привлечь внимание экспертов к такому варианту борьбы с глобальным потеплением климата. Мы должны донести до мировой общественности важность учета экологических и климатических факторов при международном разделении труда. Если, к примеру, в Германии или Японии производство какого-то продукта сопровождается выделением тепла, которое можно утилизировать, то перенос этого производства в Россию сократит мировые выбросы CO2 за счет отказа от котельных.
В странах с теплым климатом некуда девать такое количество тепловой энергии, а нас уже есть готовые теплосети, к которым можно подключить эти производства. С точки зрения глобального потепления выгоднее передать ряд производств в Россию. Неважно, где вы снижаете эмиссию CO2, так как углекислый газ распространяется по всей атмосфере. Зола и кислотные дожди от котельных никого в мире не волнуют, это наши проблемы. А вот объемы эмиссии СО2 в России волнуют все человечество.
Нужны ли мировой экономике такие объемы термококса, алюминия и прочих продуктов, которые позволят утилизировать достаточное количество тепла для отопления России? Из 3 тонн бурого угля получается 1 тонна термококса и 5 Гкал тепла, значит, для получения 2 млрд Гкал, нужно произвести 400 млн тонн термококса. Потребление металлургического кокса в мире в 2012 году составило почти 500 млн тонн. Порядок величин близок.
Конечно, за 1-2 года этого не достичь. Хорошо бы к 2030 году. Но уже сейчас мазутные, угольные и газовые котельные, которых много по всей стране, можно заменять на такие кластеры с газификаторами и ЭТБ. Вот таким должно быть направление развития нашей экономики в сторону ее «зелености», в первую очередь, за счет «зеленой» угольной энергетики.
