О том, что электричество можно получать непосредственно из тепла, рассказывают школьникам на уроках физики. Но промышленное производство электроэнергии не лабораторная работа – здесь требуются энергоустановки совсем другой мощности. Заместитель генерального директора по производству, главный инженер ОГК-6 Николай Татаринов четко сформулировал, какими параметрами должны обладать устройства, преобразующие тепло в электричество. В беседе с нашим корреспондентом он поделился мыслями о проблемах и перспективах развития электроэнергетики.
Источник: портал "Управление производством"
О том, что электричество можно получать непосредственно из тепла, рассказывают школьникам на уроках физики. Но промышленное производство электроэнергии не лабораторная работа – здесь требуются энергоустановки совсем другой мощности. Заместитель генерального директора по производству, главный инженер ОГК-6 Николай Татаринов четко сформулировал, какими параметрами должны обладать устройства, преобразующие тепло в электричество. В беседе с нашим корреспондентом он поделился мыслями о проблемах и перспективах развития электроэнергетики.
Энергетика требует инновационных решений
– Николай Александрович, как показывает практика, в электроэнергетике трудно предложить что-то новое. Все процессы хорошо известны. Какие стимулы побудили Вас сформулировать идею Вашего запатентованного устройства?
– Основная проблема тепловой электроэнергетики состоит в том, что сегодня в генерации нет технологических прорывов. Ничего нового не происходит. Как и раньше, сжигается топливо, преобразуется в тепло и передается в виде пара на турбину, турбина вращает генератор, вырабатывающий электроэнергию. Часть тепла отбирается на отопление. КПД тепловых электростанций при этом составляет около 50%.
Дело в том, что существующие технологии подошли к пределу своих возможностей. Оборудование используется с максимальной эффективностью, но с помощью имеющихся технологий, даже если заменить действующее оборудование на новое, нельзя достичь более высоких экономических показателей.
С учетом роста цен на оборудование, топливо, трудовые и иные ресурсы добиться конкурентоспособной цены на электроэнергию и при этом обеспечить развитие довольно затруднительно.
Самое неприятное – возраст основного оборудования составляет 30–35 лет. Есть энергоблоки, которые работают уже более 45 лет. Это значит, что пройдет еще лет пять и все оборудование устареет окончательно. И если механически тратить деньги даже на новое оборудование, которое по КПД незначительно отличается от старого, то ощутимого улучшения технических и экономических показателей не произойдет. Это в первую очередь касается угольной генерации. Энергетики оказались в ситуации, когда все технологические резервы отрасли практически исчерпаны. А источник развития сегодня один – выручка от продажи электроэнергии. Напрашивается вывод – увеличивать цены на электроэнергию для обновления и реконструкции оборудования.
– Энергетиков и без того обвиняют в подхлестывании инфляции. До каких же пределов можно повышать тарифы?
– Мы сегодня не вправе игнорировать финансовые возможности потребителя. Не можем и существенно повышать энерготарифы. Потребитель нам говорит примерно следующее: делайте, что хотите, но я готов заплатить вам за электричество, скажем, рубль за кВтч. И не более. Пока что рынка электроэнергии в полном объеме не существует. Но с увеличением конкуренции продать электроэнергию будет все труднее. Да и Федеральная служба по тарифам стоит на стороне потребителя и постоянно напоминает энергетикам: вы закладываете в тарифы все свои непроизводительные расходы, которые нужно снижать. Однако снижать не всегда получается. Если даже минимизировать все затраты, завтра стоимость киловатт-часа будет все равно выше, чем сегодня.
Так что же можно сделать, чтобы обновить технологическую базу и при этом не перекладывать на потребителя дополнительные расходы в виде повышения тарифов на электроэнергию? Традиционные пути, в том числе паросиловые блоки, пришлось отклонить, поскольку они не позволяют осуществить технологический прорыв. Эффективно снижать издержки можно лишь на основе принципиально новых технологий.
– Рынок сегодня предлагает, казалось бы, любое оборудование. Зачем изобретать – плати, покупай и устанавливай. Насколько правомерна такая точка зрения?
– Новые энергоблоки, которые предлагает рынок, немногим отличаются от старых. Мы их прекрасно знаем. Стандартный паросиловой цикл подошел к своему технологическому пределу. Мы не можем ощутимо увеличить КПД энергоблока. Однако при этом парогенератор имеет КПД 92%, паровая турбина – около 80%. А вот конденсатор выработанное тепло бездарно сбрасывает в реку или градирню. В результате получается, что из полученной при сжигании топлива тепловой энергии половину мы просто выбрасываем. Но при существующей технологии мы не можем убрать конденсатор из рабочей схемы. И даже на парогазовых установках (ПГУ), где используются наиболее продвинутые технологии, значительная часть тепла уходит на обогрев атмосферы.
Всем хорошо известна и реальная экономическая эффективность новых энергетических машин. Например, стоимость новых мощностей, которые сегодня вводятся, несравнимо выше, чем потребитель в состоянии оплатить в виде тарифов за электроэнергию. Чтобы окупить инвестиционные проекты, придется и дальше повышать цены на электроэнергию. Поэтому энергетика требует прорывных, инновационных решений.
Фантастический КПД и невероятные возможности для потребителя
– Чем предложенное Вами устройство отличается от традиционных установок, вырабатывающих электроэнергию?
– Суть инновации сводится к тому, что мы сжигаем топливо, нагреваем некоторое тело, начинающее излучать тепло. Затем это излучение напрямую, без турбины и генератора, преобразуется в электроэнергию. Для наглядности приведу пример с хорошо известными солнечными батареями, которые превращают излучение видимого спектра в электроэнергию. В предложенной установке инфракрасное излучение превращается в электричество. Как раз тот процесс, который нам нужен. Он призван обеспечить настоящий качественный прорыв в тепловой генерации.
Вместо солнечных батарей видимого спектра предложено создать и использовать панели для инфракрасного диапазона. Так родилась идея изобретения, модель, где широко задействованы известные серийные элементы, кроме одного, который необходимо создать. Фотоэлектрические материалы инфракрасного диапазона промышленность уже выпускает. Однако область их применения пока ограничена. Сегодня имеются фотоэлементы на основе иридия и селена. Конечно, их стоимость довольно высока. В данной компоновке производство электроэнергии будет слишком дорогим. Такую установку никто не купит.
Поэтому сегодня главная задача – создать искусственный дешевый материал с теми параметрами, которые я постарался сформулировать в моем изобретении. В нем соединены принципы традиционной теплоэнергетики и технология преобразования теплового излучения в электроэнергию в инфракрасных фотоэлементах, изготавливаемых на основе нанотехнологий.
В новой технологии могут широко использоваться агрегаты, применяемые в схемах тепловой генерации уже десятки лет. К примеру, парогенератор. Проще говоря, это в чистом виде – топка. Точнее, химический реактор, где сгорает топливо – газ, нефть, мазут, уголь, торф, мусор, иловые отходы и так далее. Отсюда раскаленные газы направляются на конвективную поверхность, которая разогревается и передает тепло с паром на инфракрасную панель, вырабатывающую электроэнергию. При рабочем процессе, когда излучающая панель разогревается до 300 градусов, КПД устройства с учетом тепловых потерь составит по расчетам порядка 70% даже на угле. Это кажется фантастикой, поскольку сегодня КПД угольных станций не превышает 35%.
– Какой Вы себе представляете новую энергетическую установку?
– Она должна быть модульного типа, максимально стандартизирована, а все ее блоки и агрегаты унифицированы. Вопросы мощности и компоновки, на мой взгляд, будет решать непосредственно заказчик. В зависимости от его потребностей монтируется та мощность, которая ему нужна. Инфракрасная панель должна быть легко монтируемой. Технические требования к панелям следующие. Длина волны инфракрасного излучения – 3,5–4 мкм (при нагреве излучающей поверхности до 300–400 градусов), рабочая температура, до которой нагревается панель, – до 350 градусов. Не исключено, что придется работать и при более низкой температуре – 150–200 градусов, с охлаждением панелей. Однако тогда КПД энергоустановки снизится, а процесс рискует оказаться неконкурентоспособным по сравнению с традиционными технологиями.
Примерная рыночная цена всей энергоустановки, включая парогенератор, излучающие и фотоэлектрические панели, инвертор и трансформатор, должна быть не более $2000 за киловатт установленной мощности. Если вести речь о стоимости инфракрасных панелей, то она не должна превышать $350 за киловатт установленной мощности. При таких ценовых параметрах новая технология сможет конкурировать с традиционной энергетикой. Срок службы фотоэлектрических панелей должен составить до 40 лет. За счет массового производства можно существенно снизить их стоимость.
Как видите, главные параметры – длина волны, рабочая температура и цена – определены, что является техническим заданием для разработчиков. Теперь слово за промышленностью.
Новая технология позволяет строить энергоагрегаты мощностью от 10 кВт до 300 мВт. Установка может быть смонтирована даже у частного домовладельца, например для энергоснабжения коттеджа. Излишки выработанной электроэнергии домохозяйства будут выдавать в распределительные сети и получать за это деньги.
Открываются совершенно новые возможности для малых предприятий. Если сегодня за присоединение к сетям они вынуждены платить немалые деньги, то в недалекой перспективе малый бизнес сможет производить электроэнергию не только для себя, но и на продажу. В Норвегии, как известно, основные поставщики электроэнергии вовсе не энергетические гиганты, а средние, малые и совсем мелкие производители. Однако Норвегия производит электроэнергии на душу населения больше всех в мире. Новые энергоустановки обеспечат рациональное использование вторичного тепла, сегодня выбрасываемого в атмосферу, в металлургической, химической и нефтехимической промышленности.
– Потребителю электроэнергии необходима надежность. В какой мере новая технология, опирающаяся на сравнительно небольшую мощность энергоблоков, позволяет решить эту задачу?
– Когда установлено множество мелких и средних генерирующих агрегатов, то система становится сверхнадежной. Это – как пирамида: в ее основание положено большое количество мелких элементов, на которые опирается все сооружение. К тому же генерацией управляет непосредственно системный оператор.
В пользу развития малой энергетики говорят и технологические ограничители, которые с определенной величины не позволяют наращивать единичную мощность энергоблоков. Например, атомные энергоблоки имеют мощность 1 000 МВт. Делать их крупнее смысла нет. Сразу возрастают риски. Если из энергосистемы по какой-то причине вываливается «миллионник», то системному оператору компенсировать потери очень и очень сложно. Следовательно, нужно иметь немалые резервы мощностей. На тепловых станциях те же самые проблемы. Разумная единичная мощность должна ограничиваться 500–800 МВт, а выше – не стоит затраченных усилий.
Инновационная технология обеспечивает сверхнадежность, если сравнивать с традиционной генерацией. Она позволяет эффективно работать при параметрах пара 300–350 градусов, что далеко от критических величин для металла, используемого сегодня в энергетике. При условии качественного монтажа и грамотной эксплуатации энергоустановка нового поколения способна бесперебойно функционировать до полного износа десятки лет. К тому же обеспечивается широкий диапазон регулирования мощности. Режим работы устанавливается весьма просто. Воздействуя на тиристорный преобразователь, который выдает электроэнергию в сеть от фотоэлектрических панелей, мы имеем возможность изменять нагрузку от 20 до 100%. Регулировку может осуществлять и системный оператор, у которого появляются совершенно новые перспективы и принципы управления генерацией, в точном соответствии с нагрузкой у потребителя.
Ждать осталось недолго
– В каком состоянии находится Ваша идея – в сфере научных изысканий или промышленность уже занимается данной темой?
– В принципе наше энергетическое машиностроение серийно выпускает практически все агрегаты и компоненты, которые требуются для новой генерирующей технологии. Все, кроме дешевых инфракрасных фотоэлектрических панелей. Сам технологический процесс разработчикам понятен и, надеюсь, реализуем.
Этой проблемой активно и довольно успешно занимается компания «Новые энергетические технологии» (генеральный директор – Александр Кузнецов). Хотя предприятие специализируется в области разработки и организации производства в диапазоне видимого спектра излучения, сейчас компания активно работает и в области прикладных задач в инфракрасном диапазоне. Я считаю, что они близки к успеху. Кроме «Новых энергетических технологий» данной тематикой занимается и Подольский химико-металлургический завод.
– Как Вы полагаете – когда Ваша энергетическая модель может быть реализована на практике и на каких станциях?
– Подчеркну, что изобретение способно легко вписаться в рабочие схемы действующих тепловых электростанций. Например, новые установки призваны оказать существенную помощь в проведении реконструкции при замене устаревшего оборудования. Схема следующая: берем пар до турбины, направляем на модульные панели, а турбину разгружаем. Технологически все это вполне осуществимо. Тем самым мы резко продлеваем срок службы паровых турбин и генераторов без потерь выработки электроэнергии.
Панели инфракрасного диапазона могут с успехом работать не только на действующих тепловых станциях, но и на атомных. Ведь на АЭС тоже в качестве рабочего тела используется водяной пар.
Считаю, опытный образец фотоэлектрической панели будет изготовлен специалистами «Новых энергетических технологий» в ближайший год. Я жду этого момента уже более полутора лет. Мне его обещали сделать к августу 2008 года. Будет изготовлен образец, а дальше пойдет освоение промышленной технологии. Это значит, что в недалеком будущем в нашей тепловой генерации произойдет качественный революционный прорыв.
