Журнал «Эковестник», №3 • 2019 г. Читать весь номер онлайнResponsive image

Сергей Алексеенко: «Развитие ВИЭ — вынужденная необходимость нашего времени»

Справка: Сергей Владимирович Алексеенко — советский и российский ученый в области теплофизики и энергетики. Академика Алексеенко интересуют не только традиционные виды энергетики — угольная и газовая, но и ставшая популярной в последнее время возобновляемая. Кроме того, он занимается вопросами преобразования и хранения энергии. В своей исследовательской деятельности выделяет три основных направления: повышение эффективности энергетики, которая могла бы удовлетворять экологическим требованиям; освоение новых технологий, либо мало выбрасывающих CO2 (диоксид углерода), либо не выбрасывающих его вообще; развитие возобновляемой энергетики, которая не имеет вредных последствий и позволяет остановить дальнейшее разрушение мировой экологии.

Новый научный уровень

Одной из главных задач современного топливно-энергетического комплекса страны является создание и внедрение новых видов топлива. Альтернативные пути развития отрасли позволят более эффективно использовать сырье, удешевить вырабатываемую энергию и решить многие экологические проблемы. Так, реакционная способность горючего, его калорийность и состав напрямую влияют на показатели котла, в котором и происходят сложные процессы сжигания угля. Механический недожог уменьшает КПД котла, а образование таких вредных соединений, как оксиды азота и серы, приводит к их выбросу в атмосферу и увеличивает скорость коррозии поверхности оборудования. Не секрет, что для эффективности воспламенения, а также стабилизации процесса горения угля на пылеугольных ТЭС используется высококалорийное газовое и жидкое топливо, преимущественно мазут, что приводит к росту стоимости вырабатываемой энергии.

Одним из возможных вариантов нового этапа в развитии энергетики России может стать водоугольное топливо (ВУТ) — смесь измельченного угля с водой. Согласно методике в качестве горючей основы предполагается использование как стандартных сортов угля, так и угольных шламов, отсевов и отходов углеобогатительных фабрик. Конечно, потребовалось существенно усовершенствовать технологии сжигания таких видов топлива, чтобы не только увеличить КПД котельной установки, но и учесть экологические аспекты.

— Мы получили более 30 патентов, в том числе международных, на приготовление топлива и способ его сжигания, — рассказывает академик Алексеенко. — При испарении топлива нельзя избежать потерь. Показатели КПД снизятся примерно на четыре процента. Допустим, КПД получения тепла из топлива равен 90 процентам, что легко достигается в данном подходе, тогда после испарения влаги он снизится до 86–87 процентов. Разница небольшая, зато таким способом можно перерабатывать даже низкокачественное топливо, которое не сжигается в обычных котлах. Например, отходы углеобогащения, скапливающиеся в огромных объемах в хранилищах. Мы провели исследования на новом научном уровне, сделали ряд разработок, включая принципиально новую горелку, не имеющую износа. Это ключевое звено технологической цепи. Много лет назад ТЭЦ-5 в Новосибирске была спроектирована именно под водоугольное топливо. В годы перестройки на станции установили итальянское оборудование. По факту горелки работали примерно 17 часов и полностью выходили из строя за счет интенсивного абразивного износа. Мы же создали форсунку (горелку), которая вообще не имеет износа — это наукоемкий продукт.

Форсунка разработана на основе явления Коанда и кумулятивного эффекта — того самого, позволяющего пробивать броню танков. В горелке формируется кумулятивная струйка, которая полностью разрушает струю водоугольного топлива, причем за пределами сопла, тем самым исключая износ оборудования. Особую конструкцию имеет и топочная камера, в которой реализуется высокоскоростной вихревой способ сжигания. Другая идея заключается в создании единого узла производства ВУТ на одном предприятии, затем топливо в цистернах развозится автомобильным либо железнодорожным транспортом по котельным.

— Доставленное жидкое топливо заливается в бак, потом насосами подается в котел. Доказано, что в котле происходит экологически чистое сжигание: выделяется примерно в 1,5 раза меньше оксидов азота — главного загрязнителя теплоэнергетики на органическом топливе, — поясняет ученый.

Данная технология успешно апробирована на ряде объектов малой энергетики и ЖКХ в Новосибирске, Кузбассе и Дальнем Востоке. Достигнутая мощность составляет 7–10 МВт с перспективой до 25 МВт. Следующим этапом станет производство промышленных котлов, которые со временем смогут заменить не только огромное количество слоевых угольных котлов с низким КПД (обычно 40— 50, а иногда даже 30 процентов), но и составить конкуренцию газовым котлам в определенных условиях за счет низкой себестоимости вырабатываемой тепловой энергии.

Будущее за «зеленой» энергетикой

В настоящее время лидером по производству водоугольного топлива является КНР — в стране готовится около 200 миллионов тонн ВУТ в год. В частности, ВУТ поставляется в Японию, где существуют свои способы сжигания угля. Однако в отличие от России азиатские страны не обладают апробированными технологиями ВУТ, имеющими высокую эффективность наряду с высокими экологическими характеристиками.

— Развитие возобновляемых источников энергии — вынужденная необходимость нашего времени. Уже к концу века это направление станет доминирующим. Отказ от органического топлива — дело времени, — уверен Сергей Алексеенко. — Я бы выделил два главных источника получения энергии: Солнце и тепло недр Земли. За ними наше энергетическое будущее.

Если об энергии Солнца известно много, то с геотермальной энергетикой знаком лишь ограниченный круг специалистов. Такая энергетика базируется на двух типах источников: один из них хорошо известен — это горячая вода, которая содержится в приповерхностных слоях Земли. Особенно много ее на Камчатке, Кавказе и Западной Сибири. Второй — тепло сухих глубинных пород, на нем основана так называемая петротермальная энергетика. В этом случае тепло надо извлекать с глубин от трех до десяти километров, где температура достигает 350 градусов по Цельсию.

— Земля обладает практически неограниченными запасами тепла, поэтому можно сделать вывод, что петротермальной энергии достаточно, чтобы навсегда обеспечить человечество энергией. Несколько лет назад сотрудники Массачусетского технологического института, оценив ресурсы своей страны, сделали сенсационное заявление: технически доступной петротермальной энергии достаточно, чтобы удовлетворить потребности США в энергетике на 50 тысяч лет. Учитывая, что развитые цивилизации имеют ограниченный срок существования — несколько тысяч лет, это означает, что навсегда, — комментирует академик Алексеенко.

Территория США, а точнее, регионы Дикого Запада — Калифорния, Аризона, Юта, Орегон и Невада изобилуют горячими породами, расположенными близко к поверхности Земли. Способ добычи тепла прост: бурятся две скважины, глубиной пять — десять километров на расстоянии порядка 100 метров друг от друга. По одной скважине подается холодная вода, вторая принимает горячую воду или пар. Необходимое условие — между скважинами на такой глубине должны существовать проницаемые для воды породы. Там обычно сплошной базальт, поэтому ученые научились создавать искусственные резервуары проницаемости. Самый распространенный способ — гидравлический разрыв пласта. При подаче воды под высоким давлением в пласте образуются трещины. Фиксируются разрывы пропантом, напоминающим по свойствам обычный песок. Второй подход — разнообразные способы стимулирования, например вибрации. Идеальных пород не бывает, поэтому колебания расширяют имеющиеся дефекты типа микротрещин, тем самым создавая проницаемую среду. Частички пропанта фиксируют образующиеся полости.

Петротермальная энергетика имеет множество плюсов: экологически чистая добыча, безграничный источник энергии, не требующий изобретения нового оборудования; но есть у нее и минус: бурение скважины в десять километров обойдется примерно в два миллиарда рублей. Если не получится создать проницаемый резервуар, деньги можно считать потраченными впустую.

— Геотермика и петротермика — самые экологически чистые способы получения энергии, но пока в России существует так называемый культ органического топлива, мы и дальше будем идти по пути регресса. Пока наши земли изобилуют тем же углем, альтернативные источники энергии развиваются в виде проектов и отдельных опытных установок, — отмечает ученый.

Бинарные циклы: мы были первыми, но...

Существует возможность использовать геотермальную энергию и в случае низких показателей теплового источника (низких температур). Речь идет о бинарных циклах — еще одной области научного интереса Сергея Алексеенко.

— Бинарный цикл состоит из двух частей — контуров. По первому контору циркулирует горячая вода из скважины, скажем, в пределах всего лишь 90 градусов по Цельсию, по второму — легкокипящая жидкость, например фреон или жидкие углеводороды: изобутан, пентан и т. д. Известно, что фреон кипит при низкой температуре. Значит, во втором контуре будет образовываться фреоновый пар, который в свою очередь приведет в движение фреоновую турбину с электрогенератором. Таким образом генерируется электричество из не очень горячей воды, — рассказывает ученый.

Первая в мире бинарная геотермальная станция была создана на Камчатке (Паратунская ГеоЭС) сотрудниками Института теплофизики СО РАН еще в начале 1970-х годов под руководством директора института Самсона Кутателадзе, но вскоре объект закрыли, технология оказалась невостребованной. Однако сейчас в мире существует более двух тысяч установок на бинарном цикле, все они ссылаются на результаты исследований советских ученых, в то время как в России нет ни одной бинарной установки.

— Необходимо возродить данную тему и продолжить исследования бинарных циклов. Это важный шаг не только для геотермальной энергетики, но и для всего энергосбережения страны, поскольку бинарные установки эффективно работают также и на сбросном тепле, — уверен Сергей Алексеенко. — Если сравнивать нормированную себестоимость — показатель, учитывающий срок жизни установки и объем затраченных ресурсов, то геотермальная энергетика — самый дешевый источник энергии в мире. При стоимости 7,5 цента за киловатт/час энергии из природного газа и 10 центов за киловатт-час угольной генерации — и это без учета экологических требований — мы заплатим всего 4,8 цента за киловатт-час геотермальной энергии.

Особое место геотермальная и петротермальная энергетика занимают в стратегическом планировании США. Сейчас в стране успешно функционируют пять опытных станций с глубиной скважин до пяти километров. Есть и первая коммерческая станция мощностью 1,7 мегаватта. Но главное — к 2050 году 10% мощности страны будет приходиться на долю петротермальной энергетики, что эквивалентно почти половине установленной мощности России.

Что останется после нас?

Перспективным направлением развития энергетики на органическом топливе могут стать методы глубокой переработки угля, прежде всего газификация. На практическом уровне процесс преобразования органической части твердого или жидкого топлива в горючие газы при высокой температуре известен со времен Второй мировой войны. Уже тогда немецкие специалисты путем газификации производили жидкое топливо из угля. Но до сих пор методы газификации не получили широкого распространения в мире, в частности из-за более высокой себестоимости выпускаемой продукции.

Вопросами повышения эффективности глубокой переработки угля занимаются и в России. Газификация стала генеральным направлением в исследованиях Томского политехнического университета, руководителем проекта недавно назначен Сергей Алексеенко. Уже построено два крупных стенда производительностью до шести тонн угля в час — фактически промышленного масштаба. Сегодня это самые крупные исследовательские стенды в России и Европе. Есть надежда на развитие новых технологий, которые могут в определенной мере решить проблемы Парижского соглашения. Считается, что причиной глобального потепления являются антропогенные выбросы CO2 — прежде всего из-за сжигания газа и угля. От последнего мировое сообщество призывает отказаться вообще, но появились подходы, позволяющие перерабатывать органическое топливо без выбросов СО2 .

VG5_8632.jpg

— Мы хотим ввести так называемый цикл Аллама по предложению его автора (Родней Джон Аллам — лауреат Нобелевской премии, член международного комитета по присуждению премии «Глобальная энергия». — Прим. ред.) в технологии газификации угля. Суть в том, что природный газ (или синтез-газ из установок газификации угля) сжигается не с воздухом — из-за этого все проблемы, — а в атмосфере чистого кислорода. Тогда на выходе получаем углекислый газ и воду. Путем конденсации можно легко отделить воду, остается CO2 . Теперь из CO2 можно делать все что угодно: захоронить, пустить в химическую промышленность, но самое главное — мы не выбрасываем его в атмосферу, — комментирует ученый. — Есть и вторая особенность: в качестве рабочего тела используется CO2 при сверхкритических параметрах, а это высокое давление и высокая температура. В результате КПД цикла достигает 59 процентов. Это один из лучших показателей в мире, одновременно решается задача полного секвестирования СО2 , а значит, полностью выполняются требования Парижского соглашения. Технологии с использованием цикла Аллама могут стать новым прорывом в энергетике, но существует множество препятствий. Они сводятся к тому, что по запасам органического топлива Россия занимает лидирующие позиции в мире — 18 процентов запасов угля (2-е место в мире), около шести процентов нефти (6–8-е место), около 18 процентов природного газа (1-е место). Поэтому развивать альтернативные направления получения энергии невыгодно. Хотя всегда надо помнить об экологии и ограниченности природных ресурсов. Мы идем по экстенсивному пути, просто используя то, что есть, но невозможно все время только брать. Пора задуматься, что останется после нашего поколения — только непригодные для использования земли или современные наукоемкие технологии, которые смогут предотвратить множество экологических проблем и, возможно, климатическую катастрофу? Думаю, ответ для каждого очевиден.

Понравился материал? Поделитесь с коллегами
Свежий номер «»

«Эковестник» №2 • 2021

Читать

Спасибо за оставленую заявку!
Менеджер свяжется с Вами
в ближайшее время.