Основные пути снижения выбросов в атмосферу СО2 в энергетике Российской Федерации – Водородные технологические решения

Основные пути снижения выбросов в атмосферу СО2 в энергетике Российской Федерации

М.А.Савитенко – АНО “Центр исследований и научных разработок в области энергетики “Водородные технологические решения”

В последнее время у нас и за рубежом публикуется всё больше материалов о возобновляемых источниках энергии и применении водорода вместо традиционных (углеводородных) видов топлива в целях снижения выбросов в атмосферу СО2.

Ряд стран уже разработали и приняли к исполнению дорожные карты по снижению выбросов парниковых газов.

Правительством РФ приняты постановления о развитии водородных технологий и экспорте водорода. Основными участниками этого процесса в России являются Росатом и Газпром.

Необходимо отметить, что Росатом планирует производить водород методом электролиза из воды, а Газпром – методом паровой конверсии или методом пиролиза из природного газа.

При этом, за кадром остаётся участие тепловой энергетики в снижении выбросов в атмосферу парниковых газов, хотя основными источниками выбросов углекислого газа и оксидов азота при производстве электрической и тепловой энергии являются тепловые электростанции и котельные.

Мы решили проанализировать возможности энергетики РФ в снижении выбросов в атмосферу углекислого газа.

Основными путями снижения выбросов в атмосферу углекислого газа являются:

  • УВЕЛИЧЕНИЕ ДОЛИ ВИЭ В ЭНЕРГОБАЛАНСЕ СТРАНЫ
  • УМЕНЬШЕНИЕ ДОЛИ УГОЛЬНОЙ ГЕНЕРАЦИИ
  • УВЕЛИЧЕНИЕ ДОЛИ ГАЗОВОЙ ГЕНЕРАЦИИ
  • ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВА
  • УВЕЛИЧЕНИЕ ДОЛИ ВОДОРОДА В ТОПЛИВНОМ БАЛАНСЕ
  • ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

 

Свой анализ мы начали с изучения выработки электроэнергии с участием всех типов электростанций.

В таблице №1 показана доля различных типов электростанции в производстве электроэнергии в 2020 году.

Таблица №1

Суммарная выработка электроэнергии 1 047 030 млн. кВтч 100%
ТЭС 620 565 млн. кВтч 59,3 %
ГЭС 207 416 млн. кВтч 19,8 %
АЭС 215 682 млн. кВтч 20,6 %
ВЭС 1 384 млн. кВтч 0,13 %
СЭС 1 982 млн. кВтч 0,19 %

 

Структура установленной мощности ТЭС ЕЭС России:

ПСУ – 78%, ПГУ – 16%, ГТУ – 5%.

Из таблицы видно, что больше всего электроэнергии (около 60%) вырабатывается тепловыми электростанциями, которые и являются основными источниками выбросов в атмосферу углекислого газа.

При этом, доля паросиловых установок на тепловых электростанциях (ТЭС) составляет 78%, а доля парогазовых установок – 16%.

Необходимо отметить, что коэффициент полезного действия (КПД) паросиловых установок колеблется от 35 до 40%, а КПД парогазовых установок от 50 до 60%.

Доля электроэнергии, вырабатываемой ГЭС, составляет около 20%.

Доля АЭС – тоже около 20%.

Суммарная доля электроэнергии, вырабатываемой СЭС и ВЭС, составляет менее 1 %.

Учитывая, что на ТЭС приходится основная доля выработки электроэнергии, которые работают в простом цикле. Где основным топливом является уголь. При расчетах выбросов СО2 взяли за основу уголь.

Данные по удельным выбросам углекислого газа при сжигании углей. Выбросы СО2 при сжигании угля

Мы взяли за основу бурый уголь и каменный.

Удельная теплота сгорания которых находится в пределах:

Бурый уголь – 13-25 МДж/кг. Среднее значение – 17 МДж/кг.

Каменный – 27-29 МДж/кг. Среднее значение – 28 МДж/кг.

Масса образующегося при сжигании углей углекислого газа пропорциональна массовой доле углерода в угле.

Больше всего углерода в антраците (до 97%), меньше – в буром угле (60-70%).

При сжигании одной тонны каменного угля образуется 3,5-3,6 тонны СО2.

При сжигании одной тонны бурого угля образуется 2,2-2,6 тонны СО2.

 

Исходя из этих расчетов мы предлагаем одним из путей снижения выбросов замена углей на водород.

Оценка возможного снижения выбросов СО2 при замещении углей водородом.

Замещение углей водородом на тепловых электростанциях и котельных.

КАК МЫ ЗНАЕМ, Низшая теплота сгорания водорода – 120 МДж/кг. Высшая – 140 МДж/кг.

Если сжигать водород без конденсации водяных паров дымовых газов, то 1 тонна водорода может заменить 7 тонн бурого и 4 тонны каменного угля.

С учётом конденсации водяных паров одна тонна водорода может заменить 8 тонн бурого и 5 тонн каменного угля.

С учетом конденсации водяных паров сжигание одной тонны водорода в котле вместо каменного угля приведёт к снижению выбросов в атмосферу на 17,5-18 тонн углекислого газа, а при замещении водородом бурого угля сжигание одной тонны водорода приведет к уменьшению выбросов СО2 на 17,6–20,8 тонн.

Для сравнения, при замещении водородом природного газа сжигание каждой тонны водорода приведёт к снижению выбросов СО2 на 6,8-7,0 тонн.

Расчёты показали, что сжигание одной тонны водорода вместо угля приводит к снижению выбросов СО2 на 17,5-20,8 тонн.

 

Так же нами был проанализированы газообразные виды топлив с которыми тоже можно работать.

Выбросы СО2 при сжигании газообразных топлив

В таблицах 2 и 3 приведена оценка выбросов СО2 при сжигании газообразных топлив.

В таблице №2 указано отношение массовой доли углерода к суммарной массовой доле углерода и водорода для различных газообразных топлив:

Таблица №2

Топливо С/(С+Н)
Водород 0
Сингаз 0,677
Метан 0,75
Природный газ 0,755
Попутный нефтяной газ 0,84
Доменный газ 0,992
Конвертерный газ 1

 

Вышеуказанные виды топлива имеют различные значения теплоты сгорания.  Для сравнения удельных выбросов парниковых газов примем за базу низшую теплоту сгорания водорода. В этом случае, для получения 120 МДж (= 33,33 кВт*ч) тепловой энергии потребуется 1 кг водорода, 2,4 кг метана, 2,41 кг сингаза, 2,57 кг природного газа, 2,68 кг попутного газа, 3,53 кг углерода, 21,58 кг конвертерного газа и 22,14 кг доменного газа.

В таблице №3 отражены  соотношение массы газообразных топлив и выбросов СО2

Таблица  №3

Вид топлива Расход топлива,

кг

Выбросы СО2,

кг

Водород 1 0
Сингаз 2,4 5,8
Метан 2,4 6,6
Природный газ 2,6 6,8
Попутный газ 2,7 7,4
Доменный газ 22,1 22,1
Конвертерный газ 21,6 23,2

 

Важно отметить, что при переходе с углей на сжигание природного газа без изменения КПД удельные выбросы СО2 уменьшатся примерно в два раза!

При замещении энергоблока, сжигающего уголь, на парогазовый энергоблок аналогичной мощности выбросы СО2 снизятся примерно в три раза!

Проведя несложный анализ, мы отмечаем, что повышая КПД имеющихся энергоблоков можем значительно уменьшить выбросы СО2.

Как выбросы СО2 зависят от коэффициента полезного действия энергоблока. Как связаны между собой выбросы углекислого газа и КПД.

Удельная масса выбрасываемого в атмосферу углекислого газа при сжигании метана связана с КПД энергетической установки следующим соотношением:

МСО2/МВт*час = 198 / КПД (кг/МВт*час) (коэффициент, связанный с теплотой сгорания метана)

В таблице 4 приведены расчёты удельных выбросов углекислого газа (СО2) при сжигании метана в зависимости от КПД энергетической установки.

Таблица №4.

КПД Единицы 0,3 0,4 0,5 0,6
СО2 кг/МВт*час 660 495 396 330

 

Из расчетов видно, что чем выше КПД энергетической установки, тем ниже величины удельных выбросов парниковых газов в атмосферу.

Для природного газа с низшей теплотой сгорания 48,5 МДж/кг:

МСО2/МВт*час = 204 / КПД (кг/МВт*час)

Высшая теплота метана на 11% выше, чем его низшая теплота сгорания. В энергетических установках, в которых используется конденсация водяных паров дымовых газов, для определения коэффициента использования тепла топлива необходимо использовать высшую теплоту сгорания топлива.

Очевидно, что одним из путей снижения удельных выбросов в атмосферу углекислого газа является увеличение коэффициента полезного действия энергетических установок!

Так как тема касается водорода, мы провели расчеты, связанные с подмешиванием водорода.

Зависимость снижение выбросов углекислого газа при увеличении доли водорода:

Из графика №1 видно, каким образом при увеличении доли водорода в смеси с природным газом снижаются выбросы в атмосферу углекислого газа.

График №1

 

Но и есть традиционные пути снижения выбросов, такие как аккумулирование энергии получаемой с возобновляемых источников энергии в ночное время и использование в пиковые часы.

Тезисы, объясняющие связь между аккумулированием энергии, вырабатываемой метеозависимыми типами электростанций, такими как СЭС и ВЭС и снижением выбросов в атмосферу СО2.

 

АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВИЭ – СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ СО2

  • ВЫРАБОТКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ХАРАКТЕРИЗУЕТСЯ НЕРАВНОМЕРНОСТЬЮ
  • АККУМУЛИРОВАНИЕ НЕВОСТРЕБОВАННОЙ В ДАННЫЙ МОМЕНТ ВРЕМЕНИ ЭНЕРГИИ ЯВЛЯЕТСЯ ОДНИМ ИЗ ВОЗМОЖНЫХ ПУТЕЙ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА, ПОСКОЛЬКУ ЭНЕРГИЯ, АККУМУЛИРОВАННАЯ ОТ ВИЭ ПОЗВОЛИТ УМЕНЬШИТЬ СЖИГАНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ТОПЛИВ НА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ
  • В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ ПРЕДЛАГАЕТСЯ МНОЖЕСТВО РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

 

Выводы мы  намеренно не делаем, так как наша страна ещё в самом начале пути, слишком много вопросов и развилок. Например: Сжигая водород мы получим водяной пар, а он тоже является парниковым газом. И с этой проблемой нам тоже придётся столкнуться. Кто-то об этом говорит? Рассматривает ли эту проблему?

 

Статья написана по мотивам выступления Савитенко Максима Анатольевича  на   круглом  столе,  состоявшегося 5 октября в рамках Х Петербургского международного газового форума.

 

По итогам круглого стола в  газете “Энергетика и промышленность России” опубликована статья  РОССИЯ КАК ЧАСТЬ ГЛОБАЛЬНОГО РЫНКА ВОДОРОДА: КАКИЕ ТЕХНОЛОГИИ НУЖНО РАЗВИВАТЬ, ЧТОБЫ ПРЕДЛОЖЕНИЕ СООТВЕТСТВОВАЛО СПРОСУ?