Юрий Почанин – Энергетика и экология (страница 9)

Сжигание при наличии кислорода. Воздух на 78% состоит из азота. В процессе горения количество азота практически не меняется – это основной газ, разбавляющий СО2 в смеси. Топливо сжигается в чистом кислороде, а не в воздухе. Задача состоит в том, как отделить кислород от остатков воздуха, состоящего по большей части из азота. Воздух можно подогреть – так кислород разжижается. Мембраны, пропускающие кислород и азот с разной скоростью, отвечают за разделение. Есть также вещества, которые поглощают азот, отделяя его от кислорода. Их можно восстановить, удалив из них азот, и использовать вновь.

Технологии хранения. Как только концентрированный СО2 собран, следующим шагом является хранение газа. Существует несколько вариантов хранения.

Геологические полости. Долгосрочное хранение СО2 в геологических полостях – наиболее многообещающий в плане широкого распространения метод. Некоторые проекты уже реализуются. Чтобы уменьшить выбросы парниковых газов и остановить глобальное потепление, хранимый СО2 необходимо уберегать от попадания в атмосферу сотни тысяч лет. Нефтяные и газовые месторождения, глубокие водно-солевые слои и угольные пласты существуют миллионы лет и при этом претерпевают не значительные изменения. Очевидно, что при правильном подходе использование этих месторождений дает возможность длительно хранить СО2.

Многие технологии, применяемые для хранения СО2 на месторождениях, уже используются в процессе повышения нефтеотдачи скважин. Один из вариантов – закачивать в месторождения СО2. Это увеличивает давление, и нефть легче поднимается на поверхность. Углекислый газ растворяет нефть, делая ее менее вязкой и более текучей. Газ увеличивается в объеме, возрастает давление. В месторождение СО2 закачивается через специальные скважины-инъекции. Это подталкивает нефть к добывающей скважине, где она и поднимается на поверхность. При повышении нефтеотдачи в месторождение через инъекционную скважину закачивается СО2, где он сталкивается с нефтью, образуя зону смешивания. Давление СО2 и расширяющейся нефти выталкивает углеводороды вверх к скважине, где они попадают на поверхность. После этого СО2 отделяется от нефти и может быть снова подан в скважину. Побочный эффект повышения нефтеотдачи в том, что СО2, используемый для выталкивания нефти из месторождения, теперь изолируется. Использование инъекций СО2 для повышения нефтеотдачи применяется на многих скважинах (например, на месторождении Вейберн в Канаде).

Улавливаемый из выбросов или удаляемый из воздуха углекислый газ может в течение долгого времени храниться в растениях, почве и подземных коллекторах, инжектироваться глубоко в океаны или преобразовываться в очень твердые материалы. Сжиженный CO2 может использоваться для улучшения извлечения нефти из нефтяных месторождений и метана из непригодных для промышленной разработки угольных пластов. После этого отработанный CO2 может безопасно и постоянно храниться в недрах земли.

Водоносные слои. Существует много герметичных геологических ниш под землей, в которых никогда не было нефти или газа. Их поры наполнены водой. Такие образования называются водоносными слоями. Эти места хорошо подходят для хранения СО2 глубоко под землей. Они наполнены соленой водой, поэтому в качестве источника пресной питьевой воды непригодны. СО2 будет частично растворяться в воде. В некоторых видах пород он будет реагировать с минералами, образуя стабильные карбонатные отложения, что позволит постоянно и надолго удержать СО2. Перед хранением необходимо провести те же геологические исследования, как для нефтяных и газовых месторождений, подтверждающие герметичность зоны. Первая в мире программа по инъекциям СО2 с целью сохранения климата проводилась в прибрежной зоне Норвегии. Газ закачивался в водоносный слой Северного моря. Это происходило на месторождении Слейпнер.

Угольные пласты. Еще один источник хранения СО2 – угольные залежи, находящиеся на недостижимой для добычи глубине. Уголь по большей части состоит из углерода. Он будет поглощать СО2 и связываться с ним навсегда. Обычно угольные залежи содержат метан. Когда в шахту закачивается СО2, уголь поглощает его, выделяя метан. Улавливание и хранение углерода представляет собой совокупность технологий по улавливанию, сжатию и хранению двуокиси углерода с целью уменьшения описанной проблемы. За последние пять лет было построено несколько небольших предприятий для проверки технологий УХУ. Два крупнейших мировых потребителя угля в энергетической отрасли – США и Китай – стремятся к мировому лидерству в УХУ. Две наиболее распространенные технологии улавливания двуокиси углерода – улавливание до сжигания и улавливание после него. Во втором случае CO2 удаляется после сжигания угля. Данная технология разработана для традиционных электростанций, где уголь используется в качестве твердого топлива для производства тепловой и электрической энергии.

Процесс улавливания и хранения углерода состоит из множества этапов охлаждения, нагрева, конденсации и повторного испарения, вследствие чего затраты на энергию составляют значительную часть стоимости процесса. Эффективные теплообменники являются ключевым фактором для снижения стоимости УХУ, поскольку позволяют увеличить рентабельность процесса.

Правительство США заявляет о крупнейших в мире инвестициях в технологии УХУ с целью создания многочисленных опытных проектов. Министерство энергетики страны использует около 4 млрд долл. федеральных средств, а частные инвестиции превышают 7 млрд долл.

3.2.2. Интегрированный газифицированный комбинированный

цикл

В настоящее время доля генерации электроэнергии в ежегодных, связанных с энергетикой, глобальных выбросах СО2 составляет 40%. Около 70% всей электроэнергии в мире производится на основе ископаемого топлива. Спрос на электроэнергию опережает спрос на другие ее виды, в связи с чем обезуглероживание производства электроэнергии становится важнейшей задачей. В странах Европы 60% электроэнергии вырабатывается на основе ископаемых видов топлива, однако по разным странам этот показатель колеблется от 0 до 100% и очень сильно зависит от того, какое топливо используется: уголь, природный газ или нефть. Обеспеченность региона значительными природными ресурсами угля и природного газа создает благоприятные условия для централизованного производства электроэнергии, но в некоторых частях региона увеличивается генерация на основе возобновляемых и других распределенных источников энергии.

Как ожидается, ископаемое топливо сохранит свое значение в качестве экономичного источника топлива для производства электроэнергии на глобальном и региональных уровнях в среднесрочной перспективе. Однако развитие электроэнергетических систем, особенно внедрение технологий хранения энергии и «умных» электросетей, создает неопределенность относительно роли ископаемого сырья в будущем.

При анализе жизнеспособности генерации на основе ископаемого топлива в будущих устойчивых электроэнергетических системах следует обратить внимание на два основных аспекта: снижение углеродоемкости производства электроэнергии и повышение гибкости генерации на основе ископаемого топлива с использованием различных возобновляемых источников.

В ряде государств при поддержке правительств начат масштабный процесс по демонстрации и развертыванию технологий улавливания, использования и хранения углерода. Повышение гибкости действующих и новых угольных электростанций позволит создать предпосылки для более широкого освоения ресурсов возобновляемой энергетики, тем самым сократить углеродоемкость всей системы генерации электроэнергии.

Действующие и новые угольные электростанции будут играть важную роль в глобальных энергетических системах в краткосрочной и долгосрочной перспективе. По расчетам, повышение КПД угольной электростанции на 1% сокращает выбросы СО2 и других загрязнителей воздуха на 2–3%. При строительстве новых угольных электростанций можно использовать ряд технологий, обеспечивающих высокий КПД и низкие выбросы (HELE) генерирования электроэнергии на основе угля. Перспективной технологией является газификация угля, которая представляет собой универсальный экологически чистый способ преобразования угля в электроэнергию, водород, а также в другие ценные энергетические продукты.

Сущность этих технологий заключается в новейшей и рентабельной экологической защите посредством комбинации сложной подготовки угля, сгорания и газификации, процессов преобразования с улучшенной очисткой после сгорания и современных электронных измерительных приборов и управления. Одной из таких технологий является интегрированный газифицированный комбинированный цикл (ИГКЦ, Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC). Станции комбинированного цикла, работающие на угле, получают из него синтетический газ, который после кондиционирования может сжигаться как природный газ в цикле газовой турбины ИГКЦ. Концепция ИГКЦ имеет и другие преимущества в сравнении с обычной технологией, основанной на распылении угля. По сравнению с ней ИГКЦ приводит к очень низким выбросам SO2 и NOx – они снижены на 99 и 90% соответственно. Особенно важным преимуществом ИГКЦ является модульность. Мощность можно добавлять постепенно. ИГКЦ предоставляет улучшенную эффективность конверсии комбинированного цикла, экологические преимущества газификации и экономические выгоды модульного конструирования. Электрические станции, сжигающие уголь, позволяют «растворить» или «связать» двуоксид серы (SO2) из дымовых газов (или огарка), выбрасываемый при работе станции в обычном режиме, посредством процесса, называемого десульфуризацией дымовых газов (ДСДГ) – (СаСО3 + SO2 = CaSO4 + CO или CaCO3 + SO2 = CaSO3 + CO2, или любая комбинация для связывания серы). Этот очень дорогой метод используется в течение последних 15 лет. Преимущества в технологиях чистого угля на электростанциях ИГКЦ доказывают наличие наиболее жизнеспособного режима для будущей генерации электроэнергии в больших масштабах.