Угольная энергетика: перспективы развития в России⁠⁠

Автор: Кирилл Овчинников.

Сегодня разговор пойдет о том, как уголь воспринимался в энергетической политике вначале СССР, а, затем, и России. Также мы немного поразмышляем вслух о том, какое место он реально может занимать.

Изначально идея данного материала родилась из двух предпосылок. Первой стал диалог с Антоном Федотовым. Суть его, в двух словах, примерно следующая: в России есть достаточно много углей как высокого залегания (что существенно удешевляет процесс добычи), так и достаточно высокого качества. Ввиду этого вполне естественно увеличение в топливном секторе энергетики именно данного вида топлива.

Вторая предпосылка, как ни странно, нашла меня в книге “Проблемы современной энергетики” 1984 года издания. Не спрашивайте, зачем я решил купить книгу с таким названием и этого года издания — этот вопрос мучает и меня, а друзья, узнав про данный казус, предложили обратиться к людям в белых халатах за помощью. Однако книга оказалась не просто находкой, а настоящим золотом. Как минимум потому, что с 84-го года, вектор мысли специалистов в энергетике изменился чуть больше чем никак. Все также слышны заявления о необходимости расширения доли угля в топливно-энергетическом секторе. Объясняется все также высоким залеганием углей, и, дешевизной последнего.

Похожая ситуация была и в России на заре становления. В науке и политике: пока почитывал материалы на досуге, часто встречались тезисы про необходимость увеличения доли угля (найти что-то среди кучи материала оказалось нереально, приведу хоть что-то, но интересное и заслуживающее внимания[2]). Принадлежат они больше к нулевым- первой половине десятых. В Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года же виден разворот в политике: основные положения подразумевают расширение угольной промышленности и генерации на востоке (Канско-Ачинский бассейн) и экспортоориентированность (главным образом на Восток)[8].

Давайте разбираться, зачем может потребоваться уголь и что это будет означать для энергетики и экологии.

Всего уголь налагает несколько ограничений. Первое: конструкция тепловой машины. Говорить я буду чаще всего про большую энергетику, не затрагивая энергетику малую. И тут, на практике, есть только одна возможная конструкция — котел совмещенный с паротурбинной установкой (ПТУ). Сжигать уголь напрямую, без преобразования химической структуры, возможно только на теплоэлектростанциях данной конструкции.

Так вот. Ввиду технических ограничений, КПД таких установок недостаточно высок (современные порядка 40%, прошлого века 35%) для своих капитальных затрат. Связано это с маленьким теплоперепадом: пар — агрессивная среда и при повышении температуры все сильнее стачивает лопатки турбин.

Нынешние теплоагрегаты на паре при нынешней цене на газ не выдерживают конкуренции в экономическом плане:

Газовые турбины (где, как бы неожиданно это не звучало, сжигается газ), просто за счет большого перепада температур почти догнали по энергоэффективности ПТУ (порядка 36-39 %[4]). При этом, за счет меньшего количества капитальных затрат, стоимость электроэнергии газовых установок значительно ниже, чем на электростанциях с паротурбинными установками. Это звучит довольно странно, учитывая два фактора: газовые турбины сами по себе дороже паровых, да и в России до последнего времени не было местных производителей.

Однако, если добавить большой размер не только котла и турбины, но и всех составляющих: деаэраторов, очистных сооружений, сложной системы водоснабжения и других не менее важных в технологическом процессе узлов, становится понятно, что строительство обойдется дороже, чем для станции аналогичной мощности на газе.

В случае с же газовой турбины в первую очередь бросается в глаза ее компактность и неприхотливость в установке, отсутствие больших потребностей в воде. Приятным бонусом идет транспортировка: газ течет по трубопроводам, а уголь надо вести в вагонах, загружая железнодорожный транспорт. В случае использования парогазовых установок (после газовой турбины воздух все еще имеет большую температуру, которую можно использовать для нагрева воды в котле) КПД подскакивает до совершенно космических значений (до 60 %[4]). Однако, использование парогазового цикла увеличивает капитальные затраты. Поэтому для малых мощностей этот цикл не имеет смысла. ПГУ безальтернативен, если необходимо достичь КПД выше 50%, но разумно это только при большой доли топливной составляющей.

Надо сказать, что не только капитальные затраты привели к повышенной привлекательности газовых турбин. Свою роль сыграл и государственный контроль. Цены внутреннего рынка на газ значительно ниже, нежели на мировом рынке. И если при обычной ситуации (при рыночных ценах) разница в цене между углем и газом может склонить к постройке “классической” ТЭЦ с ПТУ, то при столь низких ценах на газ (сопоставимы с углем) угольная энергетика становится менее перспективной, нежели газовая.

Доля паротурбинных установок в России все еще лидирует и составляет порядка 78% [3].

Связано это во-первых с тем, что если мы все-таки хотим замещать морально, технически и физически устаревшие угольные теплоэлектростанции, необходимо огромное количество средств. Во многом это наследие программы давшей старт электрификации нашей страны: ГОЭЛРО. В ее основу легло много идей. В их числе переход на децентрализованное снабжение топливом, использование местных ресурсов для снижения стоимости транспортировки. В таких условиях экономически целесообразными становились даже низкосортные виды угля, с высоким содержанием шлаков. И, несмотря на то, что на тот момент времени это было оправданным, сейчас, в виду экологической повестки, большой процент выбросов с таких станций становится нежелательным.

Вернемся к нашему вопросу. За счет чего можно было бы увеличить долю угля в энергетики. Если почитать разрозненные статьи по тематике, можно заметить, что, как ни странно, ситуация не изменилась и повышать долю угля по-прежнему предлагается за счет удешевления транспортировки топлива и постройки электростанций в местах близких к месторождениям. Перенос добывающий мощностей на восток. Развития промышленности там же за счет дешевой энергии. Также как и сорок лет назад звучат слова о высоком залегании углей и, как следствие, удешевлении топливной составляющей.

Наиболее используемые сейчас угольные бассейны: Кузнецкий, сокращенно Кузбас, и Канско-Ачинские месторождения. В них есть возможность открытой добычи угля.

Канско-Ачинский бассейн обладает углями уступающими по качеству Кузнецким (в основном, бурыми, марка 2Б). Это приводит к двум последствиям:

1. За низким качеством следуют проблемы в эксплуатации: в процессе сжигания в топке происходит процесс шлакообразования, снижается КПД котла, обслуживание усложняется, чем для углей более высоких марок. Более того, повышается количество летучих веществ со всеми вытекающими последствиями, вроде необходимости дымоходной трубы повыше и очистных фильтров посильнее.

2. Такие угли невозможно транспортировать на дальние расстояния.

Все это приводит к тому, что уголь Канско-Ачинских месторождений гораздо целесообразнее использовать для местных нужд: снижается цена транспортировки, ввиду чего компенсируются затраты связанные с эксплуатацией. На канско-ачинских углях работают теплоэлектростанции региона. Однако, частично уголь и экспортируется в западные регионы страны (в частности, на этих углях работает Рязанская ГРЭС). Крупнейшие разрезы эксплуатирует АО “Сибирская угольная энергетическая компания”.

Кузбасс же радует качеством. Достаточно высокая теплота сгорания, малая зольность (шлакообразование) и влажность (содержание влаги в топливе по понятным причинам нежелательно: в процессе сгорания часть энергии расходуется на испарение, повышается коррозийность). Благодаря своим качествам кузбасские угли идут главным образом на коксование (продуктом которого является топливо без которого немыслима металлургия) и экспорт (главным образом в Китай с огромной долей угольной генерации).

Угли Сибири все-таки более-менее возможно и иногда даже целесообразно транспортировать в Европейскую часть. Что касается месторождений еще восточнее, то для энергоснабжения европейской части России они нецелесообразны вовсе. Однако, их значение становится важным при условии, если заявления политиков о развитии удаленных районов, увеличении там промышленности, станут явью.

В частности, в Якутии расположено крупнейшее месторождение коксующегося угля: Эльгинское месторождение.

Интересным пунктом идет вопрос газификации: при переработке угля можно выделить синтез-газ, который можно использовать в качестве топлива на газовых турбинах. Помимо прочего, за счет очистки снижается процент выбросов продуктов неполного сгорания. Однако процесс газификации достаточно затратен. Маловероятно, что уголь с переработкой не потеряет своей привлекательности. Конечно, за счет эффекта масштаба при переработке можно снизить затраты на переработку, но важно помнить, что он же применим и к неугольной энергетике. По этим причинам газификация угля не занимает сейчас в теплоэнергетике лидирующее положение.

Еще одним способом повышения эффективности может быть работа паровых турбин на паре с закритическими параметрами. Основная проблема кроется в выборе конструкционных материалов. Пар на закритических параметрах очень агрессивная среда и довольно сложно найти и/или создать такие материалы, которые будут выдерживать такие температуры и давления. Примеры такого повышения технологичности имеются (например в Китае), но здесь и сейчас Россия едва ли может себе это позволить.

Еще один способ, пусть и временный — это увеличивать сроки эксплуатации. При высокой доле капитальных затрат время жизни электростанции удешевляет стоимость энергии. Причем, это касается как ремонта, так и обновления оборудования, так как нужная инфраструктура уже имеется. Но данный подход чреват устареванием и износом, что повышает риски возникновения аварий и издержек на ремонт.

Резюмируя вышесказанное мы получаем следующую картину: при некоторых условиях повышение доли использования угля возможно. Главным образом за счет снижения затрат на топливо, так как угля у нас много и он дешевый. При этом вопрос большой доли капитальных затрат всегда будет преследовать ПТУ. Из-за этого нет уверенности, что в Европейской части России когда-либо в обозримом будущем будут вводиться новые паротурбинные агрегаты (скорее будут работать над продлением эксплуатации уже действующих теплоэлектростанций). Несмотря на наличие некоторых наработок в области переработки угля в топливо пригодное для газовых турбин, маловероятно что в ближайшем будущем будет целесообразно использовать продукцию из угля для ГТУ. Впрочем, отметать этот вариант раньше времени не стоит.

Вопрос экологической составляющей остается за скобками. Качественных углей высокого залегания, по выбросам сопоставимых (иногда и ниже) с газом, меньше чем углей просто высокого залегания. Более того, их рыночная цена гораздо выше, поэтому целесообразнее их экспортировать как в соседний Китай, так и, как бы это странно не звучало, в Европу (несмотря на активные попытки развить альтернативную энергетику, пока Европа не может отказаться от угольной генерации, без нее энергосистема недостаточно стабильна). К слову, сейчас цены повысились достаточно для рентабельности экспорта почти всех Российских компаний[7]. При использования “грязных” углей повышается уровень экологического вреда. В том числе, в некоторых месторождениях уголь имеет высокое содержание радионуклидов, о чем уже писалось в статье  «Зелёная» и ядерная энергия — кто кого?.

Целесообразность увеличения доли угля без изменения структуры экономики России будет очевидна только при исчерпании запасов газа (и это при условии отсутствия других конкурентов) или повышением его стоимости (сейчас цена на газ регулируется государством). В таком случае уголь станет разумной альтернативой с экономической точки зрения в некотором отдалении от мест добычи. При развитии дальних регионов же местное дешевое топливо и ресурс для промышленности становится важным инструментом. Но пары проектов для этого будет недостаточно.

Вам также может понравиться интервьюшка, взятая у бывшего члена дирекции Крымской АЭС.

Отчасти оно (интервью) продолжает разговор о судьбе Крымской АЭС и Щелкино, позволяет взглянуть глазами человека с противоположной от лагеря «зеленых» стороны баррикад.

Автор: Кирилл Овчинников.

Оригинал: https://vk.com/wall-171205282_3740

Пост с навигацией по Коту

А ещё вы можете поддержать нас рублём, за что мы будем вам благодарны.

Яндекс-Юmoney (410016237363870) или Сбер: 4274 3200 5285 2137.

При переводе делайте пометку "С Пикабу от ...", чтобы мы понимали, на что перевод. Спасибо!

Подробный список пришедших нам донатов вот тут.

Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!