СТРАТЕГИЯ Рис 5. Сценарии эмиссии парниковых газов до 2050 года (в % к 1990 году). 225
175 150
риск повышения на 3,8–4,7°С
Текущий тренд
200
Реализация предложенной политики Глобальная эмиссия парниковых газов
около 3°С
(в соответствии с «Директивой Парижского клуба»)
125 100 75 Глобальная эмиссия парниковых газов в 1990 году — 36,4 гигатонн (109 тонн).
Политика для сценария «2°С»
50
2°С
25 0
1990 1995 2000 2005
2010 2015 2020 2025
2030 2035
2040 2045
2050
Источник: JRC, Обзор глобальной энергии и климата, 2016 г.
700,00 600,00
100
50,00
80
400,00 60 300,00 40 200,00 20
100,00
0
0,00
Необходимые энергетические мощности (ТВт-час)
120
202 0 202 1 202 2 202 3 202 4 202 5 202 6 202 7 202 8 202 9 203 0 203 1 203 2 203 3 203 4 203 5 203 6 203 7 203 8 203 9 204 0 204 1 204 2 204 3 204 4 204 5 204 6 204 7 204 8 204 9 205 0
Эмиссия парниковых газов (млн т в CO -эквиваленте)
Рис 6. Энергетические мощности для обеспечения производств разного типа и достижения нейтральных выбросов парниковых газов в химической промышленности Германии.
Прямогонный бензин Мочевина
Пиролиз Метанол
Хлор Остальные
Аммиак Эмиссия парниковых газов Источник: VCI, «Дорожная карта-2050».
Потенциал технологий с низким уровнем выбросов может быть реализован только в том случае, если создана необходимая инфраструктура и существует государственный протекционизм в адрес новых технологий — например, путем установления фиксированных цен на возобновляемые источники энергии — до тех пор, пока не не начнет действовать глобальный механизм регулирования цен на высокоэмиссионные процессы и выбросы CO2. The Chemical Journal Январь-февраль 2020
Альянс химических компаний готов ин- Жизнеспособный химический сектегрировать усилия, чтобы сделать низ- тор поставляет компоненты механизкоэмиссионные технологии доступны- мов и процессов, обеспечивающих соми. Но нужны усилия всех остальных кращение эмиссии в других секторах участников глобального рынка, что- экономики, одновременно повышает бы сделать эти технологии экономиче- промышленную мощь экономики люски жизнеспособными. бой страны. А выгоды принятых решений будут Предложение, которое прозвучало распространяться далеко за пределы хи- на Всемирном экономическом форуме мического сектора, потому что химия — в 2020 году, трудно реализовать, и будущее отправная точка и основа для многочис- не наступит мгновенно — но сказанное ленных цепочек создания стоимости. возможно, если мы все этого захотим. 27
СВЕРХКРИТИЧЕСКИЕ ФЛЮИДЫ
Плохой CO2, хороший CO2 Сверхкритический углекислый газ позволит резко повысить эффективность электрогенерации на планете
Рабочие элементы турбины должны выдерживать высокие нагрузки: работать при температурах выше 700°С и давлении более 25 Мпа, выдерживать моментальные колебания скоростей и температур при кратковременном подводе тепла.
28
Январь-февраль 2020 The Chemical Journal
СВЕРХКРИТИЧЕСКИЕ ФЛЮИДЫ
Петр Степаненко
К
омпания General Electric (GE) в партнерстве с Southwest Research Institute в СанАнтонио (SwRI) запустят в 2020 году первую в мире электростанцию мощностью 10 мегаватт с использованием сверхкритического углекислого газа sCO2 вместо пара. Пилотная установка sCO 2, первая интегрированная электростанция, оборудованная современными системами управления и безопасности, стоимостью 119 млн $, прямо сейчас строится в штаб-квартире SwRI в Сан-Антонио. Хотя команда GE только два года участвует в программе исследований, стартовала эта программа на базе Southwest Research Institute по контракту с Министерством энергетики США в 2012 году.
Поддержка В рамках проекта альянс получил финансирование в размере 6,8 млн $ от Министерства энергетики США, а также 3 млн $ от компаний GE Research, Thar Energy, Electric Power Research Institute, Aramco Services Company, Navy Nuclear Laboratory. Кроме того, финансовая поддержка была оказана Программой Агентства перспективных исследований Министерства энергетики США (ARPA-E) и Программой преобразования и использования солнечной энергии (FOCUS). В рамках последних двух программ осуществлялись разработка и испытания термических уплотнителей для установки.
Принцип
улавливается и превращается в гранулы. Нежелательные элементы, такие как сера и ртуть, удаляются в стандартном процессе очистки.
Рекорды Созданная 10-мегаваттная турбина имеет размер рабочего стола и обеспечивает самую высокую удельную мощность среди всех существующих промышленных турбин, конкурируя по этому параметру только с турбонасосами, используемыми в двигателях космического челнока. Предполагается, что применение турбины значительно (на 25–30%) повысит эффективность газовых, угольных, атомных и «концентрированных» солнечных электростанций (CSP), существенно снизит стоимость утилизации отработанного тепла. Если традиционные системы CSP работали с тепловым КПД от 35 до 40%, то разработанная турбина с применением sCO2 имеет КПД 50%. Технология позволит повысить эффективность использования ископаемых источников сырья на 2–4%, что в глобальном масштабе приведет к уменьшению выбросов CO2 в объемах, эквивалентных выбросам 14 миллионов автомобилей. Мощности первой установки будет достаточно для питания 10 тысяч домов в США. Рабочая температура установки — 700°С. Ее мощность в сто раз превышает мощность 100-киловаттной экспериментальной установки CO2, которая функционирует в Национальной лаборатории Сандиа в Нью-Мексико, и на 200°С выше. Эта небольшая, но мощная турбина выдерживает жесткие условия работы с концентрированной солнечной энергией (CSP) и может быть масштабирована до мощности в 450 МВт.
Исходным сырьем в химической части процесса является воздух, из которого извлекается кислород. Кислород смешивается с топливом: природным газом или (предпочтительно) углем, в результате чего возникает поток углекислого газа и воды внутри камеры сгорания. Полоса препятствий Раскаленный газ приводит в движение турбину, которая вырабатывает энергию. Достижение условий, необходимых Чистый CO 2, получаемый в процес- для систем на основе sCO2, потребовасе синтеза, может быть легко уловлен ло от команды SwRI преодоления ряда и сохранен или использован повторно. значительных инженерных задач. В случае, когда в камере сгорания В течение предшествующих пяти лет используется уголь, негорючая зола команда SwRI работала над созданием The Chemical Journal Январь-февраль 2020
Станции концентрированной солнечной энергии Установки CSP используют зеркала для направления солнечной энергии к расположенной в центре солнечного поля башне, где рабочая жидкость (пар или расплавленная соль) приводит в действие турбины, которые, в свою очередь, вырабатывают электроэнергию при высоких давлениях и температурах. Наиболее крупные по установленной мощности солнечные станции CSP — Noor в Марокко (510 Мвт), Ivanpah в пустыне Мохаве, США (392 МВт) и еще 4 установки совокупной мощностью 1150 Мвт в США. Обладателями станций данного типа являются Испания, ЮАР, Израиль, Китай, ОАЭ, Саудовская Аравия, Кувейт, Чили.
29
СВЕРХКРИТИЧЕСКИЕ ФЛЮИДЫ
Из-за высочайшей эффективности сверхкритического CO2 в качестве теплоносителя — турбина оказывается в десять раз меньше, чем компоненты обычной электростанции, что уменьшает воздействие на окружающую среду и стоимость строительства новых объектов.
многоступенчатого осевого турбогене- события в автомобильном двигателе. потребление энергии для охлаждения ратора, на который подается поток го- В сложном термодинамическом ци- на установках CSP на 14 %. рячего sCO2. После того, как турбина пущена, кле необходимо наращивать показаОсевая турбина разгоняет газооб- тели контролируемым образом, четко возникает следующая проблема — как разный sCO2 под высоким давлением, определяя момент начала вращения, сбалансировать нагрузку на сеть, сопообеспечивая энергией привода ком- избегая конденсации жидкого CO2 ставляя мощность установки с колебапрессора и генератор, которые выра- и образования сухого льда. ниями спроса на электроэнергию. sCO2-турбины, как и обычные турбины, могут регулировать мощность, Новая турбина имеет рекордную удельную мощность повышая или понижая температуру пои повышает эффективность электростанций на 25–30%. ступающего газа (пара или CO2). Оператор турбины может регулиробатывают электричество на солнечных Солнечные установки CSP при ис- вать количество CO2, который обеспепользовании sCO 2-турбин будут ис- чивает вращение турбины, что снижает установках CSP. Рабочие элементы турбины дол- пользовать механические уплотнения скорость циркуляции и позволяет снижны работать при температурах выше для предотвращения утечек жидкости. зить исходящую мощность при сохра700°С и давлении более 25 Мпа в ши- Из-за повышенных температур и дав- нении температуры на входе в турбину. роком диапазоне нагрузок. Они также лений в этом применении потребова- Что позволяет работать с широким диадолжны обеспечивать высокую эффек- лись новые материалы, которые мо- пазоном мощностей при сохранении тивность при быстром времени запу- гут нагреваться до температуры свыше уровня эффективности. ска и выдерживать моментальные ко- 500°С и не терять своей эффективности. SwRI сотрудничает с компанией Серийное решение лебания при кратковременном подводе Vacuum Process Engineering для разратепла. Один из технологических вызовов ботки компактного теплообменника GE планирует продолжить работы, с сухим охлаждением для турбины sCO2. связанные с масштабированием и сопроекта — момент запуска турбины. Подобно тому, как поворот ключа Сухое охлаждение уменьшает количе- зданием серийного прототипа, после зажигания в автомобиле вызывает се- ство воды, используемой электростан- пуска нового завода в 2020 году, а заверрию событий — впрыск из топливной циями. Конструкция будет обменивать- шить эти работы в 2022 году. Компания намерена использовать форсунки, искра зажигания и т. д. — за- ся теплом между sCO2 и окружающим пуск газовой турбины является много- воздухом, что приведет к экономии полученные результаты для модерниводы. Разработанные в рамках проек- зации концентрированных солнечных ступенчатой операцией. Но стремительное увеличение ско- та системы сухого охлаждения снизят станций и атомных станций следующерости вращения турбины, температу- стоимость процесса в пересчете на уста- го поколения, которые станут испольры и давления — создает гораздо боль- новленную мощность со 168 $ за кВт зовать созданные термодинамические шую нагрузку на компоненты, чем до 95 $ за кВт и одновременно — снизят системы с замкнутым контуром. 30
Январь-февраль 2020 The Chemical Journal