Новая парадигма энергоснабжения и технологические сдвиги в промышленности

Современной экономикой к источникам энергии предъявляются жесткие и противоре­чивые требования:

• непрерывность энергоснабжения (воз­можность в любое время обеспечить базовое энергопотребление);

• маневренность (возможность энергос­набжения в условиях резких скачков потре­бляемой мощности), производство электроэ­нергии в любой момент времени определяет­ся потреблением;

• удовлетворение спроса на электриче­скую и тепловую энергию в полном объеме в любое время года и суток;

• возможность прогнозирования и пла­нирования;

• повсеместная доступность;

• концентрация большой мощности для крупных энергопотребителей;

• экологические и экономические харак­теристики.

Однако ресурсоемкость энергетики тако­ва, что выполнение указанных условий требу­ет огромных капиталовложений в строитель­ство генерирующих мощностей и огромного расхода ископаемого топлива.

Неравномерность потребления электри­ческой и тепловой энергии (днем больше, чем ночью, зимой больше, чем летом) привела к тому, что электростанции должны работать в переменном режиме.

Разные виды электростанций имеют раз­ные технологические возможности для «сле­жения» за потребителем (табл. 1).

Для тепловой и особенно атомной гене­рации необходимость работы в пиковом ре­жиме создает технологические опасности и экономические потери. С целью снижения этих потерь проектируются ядерные реакто­ры, тепловые котлы, турбины повышенной маневренности, строятся ГАЭС. Однако это не решает проблемы.

Выходом может быть взаимная адап­тация объемов производства и потребления электрической и тепловой энергии.

До сих пор эта адаптация производилась экономическими инструментами. В России для крупных потребителей (от 750 кВт) суще­ствуют тариф за мощность (в пиковые часы, кВт) и количество электроэнергии (кВтч), для остальных - дневной и ночной тарифы. Этих инструментов совершенно недостаточ­но. Для сравнения: во Франции существует около 80 видов тарифов на электроэнергию.

Некоторые виды возобновляемых источ­ников энергии в принципе не могут обеспе­чить непрерывную выдачу электрической или тепловой мощности.

В таблице 2 приведены характеристики разных видов ВИЭ.

По вариациям выработки и маневренно­сти все ВИЭ можно разделить на 4 группы:

• погодозависимые (ветровая, солнечная, энергия волн). Зависимость от погоды тем не менее позволяет с достаточной для энергети­ки точностью предсказывать выработку этих видов энергии на сутки вперед;

• частично погодозависимые, климатоза- висимые (гидроэнергия, биогаз);

• долгосрочно предсказуемые (прилив­ная, солнечная);

• стабильная (геотермальная).

Следовательно, в системах энергоснаб­жения необходимо комбинировать разные

Т а б л и ц а 2

* Для ГЭС существенная часть потерь на пуск / останов. агрегатов связана с воздействием волн попуска на нижний бьеф.

виды ВИЭ друг с другом и с аккумуляторами энергии (это требование имеет место и для «традиционных» видов энергетики).

Возможен и другой подход к проблеме - отказаться от парадигмы энергоснабжения круглый год и круглые сутки в любом объеме и адаптировать потребителей к техническим возможностям генерации.

Если тепловая и атомная энергетика нуж­даются в базовой (ночной) нагрузке, то сол­нечная, ветровая, приливная, наоборот, требу­ют минимизации базы.

Отказ от базы требует разделения по­требления на непрерывное и прерывное. Для этого выделим то, что должно работать не­прерывно: основное освещение, частично приготовление пищи, инженерные системы жизнеобеспечения (поставки воды, тепла, отчасти теплоснабжение, вентиляция и кон­диционирование), медицина, связь, приборы наблюдения, хранение продовольствия. Для энергоснабжения указанных потребностей необходимы соответствующие базовые мощ­ности и емкость аккумуляторов энергии. Остальные потребители - это преимуще­ственно промышленные. Большая часть из них может гибко изменять график работы.

Большая часть энергоемких непрерыв­ных производств связана с термическими процессами и тепловой инерционностью. Это металлургия (25 % энергопотребления про­мышленностью), химия (20 %), производство стройматериалов (15 %), бумаги (10 %). Даже если основным энергоносителем является ис­копаемое топливо, работа оборудования тре­бует большого количества электроэнергии.

В ряде случаев тепловые процессы могут быть заменены нетермическими. Например, производство цемента. Это второй по массо­вости промышленный продукт в мире после угля. Объем мирового производства составля­ет 3 млрд. т - около 0,5 т на человека в год. Производство цемента обеспечивает 5 % всех антропогенных парниковых выбросов. Раз­работанная в СССР электронно-лучевая тех­нология позволяет получать цемент с энерго­затратами 1 кВтч/кг в практически безынер­ционном процессе. Электронная обработка воды перед замешиванием раствора позво­ляет повысить марку бетона. Важно, что эта технология позволяет производить цемент на месте из местного сырья при наличии солнеч­ной, ветровой или сезонной гидроэнергии.

Вместо обожженного кирпича (обжиг за­нимает сутки) для малоэтажного строитель­ства успешно применяется технология «Рус­ские качели» - пневмоформование глино- песчаных смесей с энергопотреблением 4 кВтч/м³, также неинерционное.

Электронно-лучевая технология позволя­ет получать высокооктановый бензин из при­родного газа или биогаза, мазута и гудрона, перерабатывать покрышки.

В химии революционным может оказать­ся переход к нетермическим способам акти­вации химических реакций - электронно­лучевым, лазерным, электротермическим, фототермическим, механохимическим. Так, электронно-лучевая активация позволяет проводить расщепление тяжелых фракций нефти с получением газов и ароматических соединений.

Представляют большой интерес разра­ботанные первоначально для Минсредма- ша технологии аккумулирования солнечной энергии в химическую. Ночью можно прове­сти обратимый процесс с выделением тепла и направить горячий газ в турбину, а можно использовать полученные химические про­дукты (аммиак, синтез-газ и пр.).

Прогресс исследований в области фото­термической активации реакций позволит ис­пользовать солнечную энергию как основной источник энергии в химии.

Таким образом, можно создать промыш­ленность, требующую в разы меньше энер­гии и некритичную к непрерывности произ­водства, то есть в безветренную ночь (или в тихую пасмурную погоду зимой) можно зна­чительно снизить потребность в генерации. Можно также использовать периодическую работу приливных электростанций для пери­одически работающих производств (выработ­ки цемента, азотных удобрений и т. п.).

Это резко изменит облик химической промышленности. На смену гигантским заво­дам могут прийти мини-заводы на солнечной и ветровой энергии. Концентрация производ­ства сохранится вблизи крупных ГЭС и ПЭС.

Другой важный возобновляемый источ­ник энергии - гидроэнергетика. Особенно­стью России является очень высокая неравно­мерность гидрографа: в северных районах расход воды во время весеннего паводка в сотни раз больше, чем в зимнюю межень. Для работы ГЭС зимой требуется создавать боль­шие водохранилища сезонного регулирова­ния.

При этом значительная часть паводковых вод проходит через водосбросы мимо турбин. Установка дополнительных гидроагрегатов на существующих плотинах позволяет полу­чить дополнительную электроэнергию. Рас­ходы на прирост мощности в 3-5 раза ниже, чем на новое строительство.

В районах северного завоза целесообраз­на сезонная (весенне-летняя) работа целого ряда производств, прежде всего для произ­водства стройматериалов: переплавка метал­лолома в электропечах, производство цемен­та, каменного литья, лесопиление и пр. Для этого необходимо устанавливать деривацион­ные и бесплотинные мини-ГЭС, работающие в период высокой воды и не влияющие на ги­дрограф. Порой можно обойтись сезонной ра­ботой добывающих предприятий. Во многих случаях работа связки «ГЭС - производство» даже в течение 1,5-2 тысяч часов в году оку­пится с лихвой.

Многие из описанных технологий разра­ботаны организациями атомной отрасли или по ее заказу. Важно стимулировать конверсию Росатома с целью широкого использования технологий отрасли, не связанных с расще­пляющимися материалами. Целесообразно также продолжить диалог с РусГидро и дру­гими операторами ГЭС с целью дополнитель­ного использования существующих плотин для выработки электроэнергии и переориен­тации на бесплотинные, в т. ч. сезонные, ГЭС.

Шкрадюк И.Э

Координатор программы экологизации промышленной деятельности Центра охраны дикой природы, Москва, Россия

источник http://damba.org/novosti/materialy-k-vi-mezhdunarodnoj-nauchno-prakticheskoj-konferencii-reki-sibiri-krasnoyarsk-2011-god.html