Научно-технологическое развитие электроэнергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Имеется достаточно оснований полагать, что мир вступает в эпоху новой технологической революции. На это указывают впечатляющие достижения последнего десятилетия в фундаментальных и прикладных науках - математике, электрофизике и электрохимии, материаловедении и др., интенсивное развитие новых производственных и информационно-коммуникационных технологий, искусственного интеллекта и т.д., а также быстро множащийся опыт их успешного практического применение. Опыт показывает, что технологические революции неизменно касались и энергетики, как непосредственно - через развитие энергетических технологий, так и опосредованно - через спрос на энергию и доступные топливно-энергетические ресурсы.

За последние три столетия мир стал свидетелем нескольких технологических революций, которые получили воплощение в конкретные сферах человеческой деятельности и породили так называемые промышленные революции, энергетические революции, транспортные революции и т.д. Массовое внедрение революционных нововведений сопровождалось бурным развитием соответствующих отраслей экономики и скачкообразным ростом в них производительности труда и его энерговооруженности. Технологические революции обычно завершались формированием в этих отраслях новых технологических укладов, под которыми обычно понимают совокупности технологий, тесно связанных между собой физически и/или функционально.

Так, первая промышленная революция базировалась на массовом применение паровых машин, вторая - электродвигателей, третья - средств электроники и автоматизации технологических процессов. Важнейшими следствиями предыдущих промышленных революций были увеличение концентрации производства, наращивание объемов энергопотребления, использование все более качественных энергоносителей. Суммарным результатом их реализации стало создание индустриального общества.

С переходом от ручного изготовления штучных (индивидуальных) изделий к машинному производству товаров массового спроса коренным образом изменились условия труда и формы его организации. Конкурентные преимущества получили крупные корпорации, эффективным стало международное разделение труда, что привело, в конечном счете, к глобализации производственных отношений и созданию мировых рынков товаров и услуг.

Технологические революции оказали колоссальное влияние на социальную сферу, не только повышая качество жизни людей, но и коренным образом меняя их жизненный уклад, включая условия, уровень и образ жизни. Переход от аграрного общества к индустриальному активизировал процессы урбанизации, роста мобильности населения, автомобилизации общества и многие другие. В результате сформировалось общество потребления.

В основе новой технологической революции, по всей видимости, будут лежать кибер-физические системы (Cyber-Physical Systems), интегрирующие физический мир и виртуальную реальность (цифровой мир). Реализуются они посредством так называемых встраиваемых систем (Embedded Systems) - специализированных систем управления в реальном времени разнородными объектами на основе микропроцессорной техники, наноразмерных электромеханических устройств и разнообразных сенсоров, встроенных непосредственно в объект управления. Важная роль отводится новым средствам коммуникации: интеллектуальным межмашинным интерфейсам (Machine-to-Machine, M2M) и технологиям автоматической идентификации объектов, в частности, с использованием радиочастотных меток - RFID-меток (Radio Frequency Identification). Расширение функциональности RFID-меток путем интеграции их с сенсорами позволит создать «умные» продукты (Smart Product). Встраиваемые системы способны обеспечить в режиме реального времени мониторинг состояния объекта, прогнозирование его ключевых характеристик, в том числе, остаточного ресурса, определение оптимального варианта взаимодействия с внешним окружением и автоматическое принятие решений о продолжении функционирования и развития объекта.

Новая (четвертая) промышленная революция на базе встраиваемых систем, концепция которой получила наименование Industry 4.0 [1], позволит резко повысить эффективность производства и, следовательно, сократить потребность в природных ресурсах, в том числе, энергетических. Новая индустрия, очевидно, будет формироваться на основе новых производственных технологий, прежде всего, аддитивных технологий и биотехнологий. Создаваемые на их основе «умные» фабрики (Smart Factory) позволят с низкими затратами выпускать товары по индивидуальным заказам.

Новая индустрия будет связана с разработкой и организацией производства широкого спектра высокочистых наноматериалов для 3D-принтеров и эффективных технологий высокоэнергетического воздействия на эти материалы, прежде всего лазерных; новых конструкционных и функциональных материалов с уникальными свойствами; «умных» материалов, изменяющих свои свойства под воздействием внешних факторов; большой гаммы высокочувствительных сенсоров различного назначения; наноэлектромеханических систем (НЭМС) и миниатюрных источников их питания. Продолжатся разработки новых технологий генной инженерии, обработки больших данные (BigData), облачных вычислений (Cloud), автоматической идентификации объектов и т.д.

Широкое внедрение «умных» продуктов может полностью изменить применяемые логистические схемы как на производственных площадках, так и вне их. «Умные» продукты открывают возможности для отслеживания их жизненного цикла и пространственного распространения. Это создает совершенно новую платформу для планирования производства и сбыта товаров, сбора и переработки отслуживших свой срок изделий, утилизации отходов, т.е. для ресурсосбережения и охраны природной среды.

Новая технологическая революция способна в очередной раз коренным образом изменить антропогенную среду обитания людей. Реализация концепций «умный» город и «умный» транспорт сделает ее более дружественной и безопасной. Широкое применение новых технологий, таких как Интернет вещей (Internet of Things) и Интернет услуг (Internet of Services), преобразует весь технологический ландшафт в бытовой сфере, области развлечений, сфере услуг. «Умные» продукты могут полностью изменить систему сервисного обслуживания. В конечном счете, все это существенно трансформирует жизненный уклад людей.

Предыдущие технологические революции оказали огромное влияние на развитие энергетики. Технологические изменения в энергетике были связаны с:

а) освоением новых видов первичной энергии (уголь, нефть, природный газ, ядерная энергия);

б) распространением новых вторичных энергоносителей (водяной пар, электроэнергия, нефтепродукты и др.);

в) внедрением новых технологий производства энергии (паровые машины, паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания);

г) применением новых технологий конечного использования энергии (электродвигатели, лампы накаливания и многие другие).

Освоение технологий крупномасштабной добычи топлив и производства продуктов их переработки привело к созданию мировых энергетических рынков (нефти, природного газа, угля, нефтепродуктов и др.).

В развитии электроэнергетики главными технологическими трендами на целое столетие стали

- концентрация производства электроэнергии,

- централизация ее распределения,

- рост единичной мощности энергетического оборудования,

- повышение его параметров (температуры и давления рабочего тела в тепловых машинах, напряжения в электрических сетях и т.д.).

Отправной точкой для формирования электроэнергетики как важнейшей инфраструктурной отрасли стало автономное электроснабжение потребителей на основе единичных источников электроэнергии небольшой мощности. Причем, в начале это были источники постоянного тока. По мере расширения масштабов электрификации и создания электротехнического оборудования на переменном токе происходил процесс объединения электрогенерирующих установок в локальные электроэнергетические системы, который, в конечном счете, привел к формированию крупных электроэнергетических систем (региональных, национальных, транснациональных), что стало возможным в результате освоения техники высоких и сверхвысоких напряжений. При этом известная «война токов» - постоянного и переменного завершился победой последнего. Передача и распределение электроэнергии стала практически повсеместно осуществляться на переменном напряжении.

Очевидно, что новая технологическая революция окажет существенное влияние на развитие мировой и отечественной электроэнергетики, в первую очередь, на ее технологическую составляющую. Это связано с тем, что электроэнергетика в настоящее время оказалась на перепутье своего технологического развития. Причин тому достаточно много. В качестве основных можно указать следующие.

Рост единичных мощностей электрогенерирующего оборудования и концентрация производства электроэнергии на крупнейших ТЭС уже не дают былых экономических эффектов. Наоборот, ужесточение экологических ограничений требует более высоких затрат на реализацию природоохранных мероприятий на крупных объектах. Централизация производства и распределения электроэнергии и развитие систем централизованного электроснабжения, уже почти достигшие физических пределов, делает все более актуальной проблему обеспечения с приемлемыми затратами нормируемых показателей надежности электроснабжения потребителей и качества поставляемой электроэнергии.

Энергетическая эффективность традиционных машинных технологий производства электроэнергии на органическом топливе уже практически достигла технологических пределов, в частности, обусловленных свойствами конструкционных материалов. Наиболее эффективные современные парогазовые установки (ПГУ) на природном газе достигли КПД 60-62%, а паротурбинные установки (ПТУ) на твердом топливе - 42-43%. Однако такая эффективность может быть обеспечена только

- на установках очень большой мощности - порядка 600-1000 МВт и более (КПД установок малой мощности - менее 1 МВт обычно не превышает 30-35%, но чаще значительно меньше);

- при работе на номинальной нагрузке (при работе на частичных нагрузках КПД установок существенно снижается);

- при высоких значениях термодинамических параметров рабочего тела (в ПГУ освоенной считается температура газов на входе в газовую турбину 1500 єС, в ПТУ - температура пара 600 єС, давление 30 МПа).

Драматический характер начинает приобретать конкуренция между электрогенерацией на органическом топливе и возобновляемых источниках энергии (ВИЭ). Благодаря достижениям НТП в технологиях электрогенерации на базе ВИЭ стоимость производимой ими электроэнергии стремительно уменьшается и вплотную приближается к стоимости традиционной электрогенерации (кривые Ia и IIa на рисунке 2.1.1). При определенных условиях их равная экономичность уже достигается (точка t0).

Между тем, основным трендом на долгосрочную перспективу останется рост стоимости органических топлив, что обусловлено объективными причинами - истощением запасов ископаемых топлив дешевых категорий. Разработка месторождений с трудноизвлекаемыми запасами и расположенными в отдаленных районах со сложными природно-климатическими условиями и отсутствием транспортной инфраструктуры неизбежно приведет к росту затрат на добычу и, следовательно, к увеличению стоимости топлив. Напротив, продолжающееся совершенствование технологий электрогенерации на базе ВИЭ будет поддерживать сложившийся долговременный тренд на уменьшение стоимости производимой ими электроэнергии.

Безусловно, научно-технический прогресс (НТП) в средствах добычи ископаемых топлив может сдерживать рост их стоимости. Но и в отношении НТП в технологиях электрогенерации на базе ВИЭ можно с уверенностью утверждать, что имеются большие резервы для их совершенствования (кривые Ib и IIb на рисунке 2.1.1). Это создает дополнительную неопределенность для технико-экономического сопоставления рассматриваемых технологий и расширяет зону их равной экономичности (диапазон t1-t2 на рисунке 2.1.1). Тем не менее, исход этой конкуренции очевиден. Вопрос только во времени.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.1.1. - Удельная стоимость производства электроэнергии традиционными установками на органическом топливе и установками на базе ВИЭ.

Важно подчеркнуть, что в силу неравномерности размещения запасов ископаемых топлив по планете и «качества» доступных ресурсов ВИЭ, будет наблюдаться значительная территориальная неоднородность конкурентоспособности рассматриваемых технологий и, следовательно, оптимальных масштабов и сроков развития возобновляемой энергетики.

Следует особо отметить, что вмешаться в эту конкуренцию не сможет и «третья сила» - атомная и термоядерная энергетики, несмотря на то, что технологии в данных сферах интенсивно разрабатываются. Это обусловлено спецификой выделения в них первичной энергии (в результате расщепления тяжелых и слияние легких ядер соответственно), что определяет их место в базовой части структуры электрогенерирующих мощностей. Из истории развития атомной энергетики следует, что конкурентоспособными могут быть только энергоблоки АЭС очень большой единичной мощности (в настоящее время 1 ГВт и более). Тем более это справедливо в отношении термоядерных установок. Использование энергоблоков такой мощности возможно только в крупных электроэнергетических системах. Это означает, что развитие атомной и термоядерной энергетики предопределяет высокий уровень централизации электроснабжения потребителей.

Разрабатываемые в настоящее время в ряде стран модульные атомные реакторы малой мощности повышенной безопасности и мини-АЭС на их основе кардинально не смогут изменить ситуации. Такие АЭС останутся очень дорогими и требуют специальных условий эксплуатации несмотря на обещаемый высокий уровень безопасности. Можно предположить, что такие установки не станут массовым продуктом. Нишей для их применения может стать, например, энергоснабжение труднодоступных районов и крупных подводных нефтедобычных комплексов. Трудно также представить большие объемы применения в энергетике так называемых «ядреных батареек» - электрогенерирующих устройств небольшой мощности (мини- и микро уровня) на основе энергии естественного распада радиоактивных изотопов.

Основными движущими силами научно-технического прогресса в энергетике выступают (рисунок 2.1.2):

- накопленные знания и умения, а также их носители;

- изменение потребностей экономики и общества в топливе и энергии;

- ограничения на природные энергетические ресурсы;

- воздействие внешних факторов, разнообразных угроз и вызовов, в частности, законодательное введение ограничений на негативные воздействия энергетики на окружающую среду и климат.

Экономика и общество постиндустриального типа характеризуется рядом особенностей, которые будут оказывать существенное влияние на развитие энергетики:

- замедление темпов роста спроса на топливо и энергию как результат повышения энергетической эффективности производства товаров и услуг, стабилизации численности населения и завершения процесса урбанизации;

- децентрализация промышленного производства в результате широкомасштабного внедрения новых производственных технологий и использования гибких малотонажных производств снижает экономическую эффективность концентрации энергетических производств и, следовательно, потребность в крупных электроэнергетических системах;

- опережающий рост спроса на электрическую энергию относительно прочих энергоносителей вследствие расширения использования электрофизических и электрохимических процессов в промышленности, ускорение электрификации быта и транспорта;

- рост доли услуг в экономике и масштабов применения так называемых «темных» (т.е. безлюдных, не требующих ночного освещения) производств ведет к разуплотнению суточного графика электрических нагрузок и обостряет проблему покрытия пиков нагрузки;

- роботизация технологических процессов, широкое использование цифровой техники, высокоточных производств, высокочувствительных биотехнологий предъявляют повышенные требования к качеству электроэнергии и надежности ее поставок;

- повышение качества жизни требует ужесточения экологических ограничений, что в совокупности с ограничениями на выбросы парниковых газов и истощением запасов дешевых ресурсов ископаемых топлив дают мощный импульс крупномасштабному внедрению возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и переходу к «низкоуглеродной» энергетике.

Таким образом, новая технологическая революция приведет к росту проса на электроэнергию и увеличению ее доли в структуре топливно-энергетического баланса. Это послужит основанием для дальнейшего развития электроэнергетики, причем, опережающими темпами. Следовательно, становление постиндустриальной экономики и «цифрового общества» будет сопровождаться постепенной реализацией концепции «электрического мира», сформированной еще четверть века назад и предусматривающей удовлетворение за счет электроэнергии основных потребностей человеческой цивилизации в энергии [2].

Удорожание топлива и законы рыночной конкуренции вынуждают ведущие энергомашиностроительные компании мира интенсифицировать НИОКР и приступать у дорогостоящим разработкам ПГУ предельной эффективности - с КПД до 65-66%. Предполагается достичь таких значений КПД за счет увеличения температуры газов перед газовой турбиной до предельных значений - 1700-1800 єС, усложнения термодинамического цикла и применения газовых турбин сверхбольшой мощности (400 МВт и более). Исследуются возможности создания ПТУ на ультравысокие параметры пара (температура 700-720 єС, давление 35-38 МПа) мощностью 600-900 МВт с КПД до 51-53%. Реализация сверхвысоких параметров рабочего требует разработки новых дорогостоящих материалов, ведет к увеличению стоимости оборудования, снижению его надежности и рабочего ресурса, усложнению и удорожанию эксплуатации.

В то же время, достижения фундаментальной и прикладной науки и технологические заделы в промышленности позволили создать новые классы энергетических установок. В электроэнергетике это относится, прежде всего, к электрогенерации на базе солнечной и ветровой энергии. Повсеместная доступность ВИЭ благоприятствует децентрализации электроснабжения. Активно развиваются другие технологические направления. Здесь прежде всего нужно указать электрохимические технологии производства и аккумулирования электроэнергии, которые также могут исключительно эффективно использоваться в качестве средств распределенной генерации, но уже на основе органических топлив.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.1.1. - Основные движущие силы НТП в энергетике.

При этом электрохимические генераторы (топливные элементы, ТЭ), реализующие технологию прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию с потенциально очень высокой энергетической эффективностью, могут стать реальной альтернативой традиционным энергоустановкам на органическом топливе. По сравнению с традиционными тепловыми машинами топливные элементы характеризуются принципиально иной зависимостью термодинамического КПД от температуры процесса. В ТЭ с уменьшением температуры КПД растет, что весьма благоприятно с точки зрения их практического применения в энергетике: выше потенциальный электрический КПД, ниже требования к конструкционным материалам, больше рабочий ресурс, выше надежность. Для эффективной утилизации тепла уходящих газов для целей теплоснабжения достаточно их температуры порядка 120-130 єС. Следовательно, магистральным направлением в разработке топливных элементов для стационарной энергетики должно стать снижение температуры рабочего процесса, естественно, при не ухудшении иных эксплуатационных характеристик ТЭ.

Еще одной принципиальной особенностью топливных элементов является слабая зависимость их электрического КПД от величины установленной электрической мощности. Высокой энергетической эффективностью обладают установки даже небольшой (киловаттного класса) мощности. Так, электрический КПД твердооксидного топливного элемента Gennex фирмы CFCL электрической мощности всего 1,5 кВт достигает 60%, а когенерационный КПД (характеризует эффективность использования топлива при производстве электрической и тепловой энергии) - до 85% [3, 4]. При единичной мощности до 100 МВт у топливных элементов по величине электрического КПД просто нет конкурентов (см. рисунок 2.1.3). Это также справедливо для гибридных технологий мегаваттного класса, интегрирующих в единую технологическую схему высокотемпературные топливные элементы и микротурбины.

Отмеченные выше свойства ТЭ открывают возможности для создания энергетических установок на основе принципа модульности, когда мощность установки набирается из однотипных компонентов (модулей). Это можно делать по мере надобности и таким образом минимизировать экономические потери, обусловленные «замораживанием» инвестиций и неэффективным использованием избыточной мощности. Данные явления неизбежно возникают в случае сооружения энергоустановки повышенной производительности в расчете на будущее развитие производства или жилищного строительства. Модульный подход обеспечивает унификацию оборудования, максимальную его заводскую готовность, минимальные сроки монтажа и ввода в эксплуатацию. Все это способствует снижению удельных начальных капиталовложений в энергетические установки с ТЭ и минимизации рисков для инвесторов. Модульный принцип делает целесообразным налаживание массового производства однотипных элементов, что открывает прямой путь к резкому снижению стоимости топливных элементов и повышению их качества (стабилизации технических характеристик) за счет использования роботизированных производств.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.1.3. - Сопоставление КПД производства электроэнергии различными технологиями в диапазоне установленной электрической мощности от 1 кВт до 100 МВт, включая топливные элементы (ТЭ), газопоршневые двигатели (ГПД), микротурбины (МТ), газотурбинные установки (ГТУ), парогазовые установки (ПГУ) и гибридные установки (ТЭ+МТ).

Важным достоинством топливных элементов является более пологая зависимость КПД от нагрузки по сравнению с конкурирующими технологиями. Она определяет среднегодовую эффективность эксплуатации энергоустановок, поскольку они работают преимущественно на частичных нагрузках.

Топливные элементы являются наиболее экологически чистыми энергоустановками на органическом топливе. Их использование обеспечивает максимальное сокращение выбросов вредных веществ от объектов энергетики в окружающую среду. Прежде всего это актуально для населенных пунктов. Поэтому их массовое применение здесь не встретит значимых экологических ограничений. Это открывает путь для размещения энергоустановок с ТЭ непосредственно у потребителей и использование их в режиме когенерации (совместное производства электроэнергии и тепла) и тригенерации (производство электроэнергии, тепла и холода).

Возможность размещения непосредственно у потребителей обеспечивает энергоустановкам с топливными элементами значительные энергетические и экономические преимущества по сравнению с централизованным энергоснабжением. В частности, можно отметить

* существенное повышение эффективности использования энергетического потенциала природных топлив - с достижением когенерационного КПД 95% и более;

* отказ от электрических и тепловых сетей с соответствующим сокращением эксплуатационных затрат, потребностей в инвестициях и потерь энергии, что ведет к уменьшению стоимости энергии для потребителя;

* радикальное решение проблемы повышения надежности энергоснабжения и качества электроэнергии.

Для функционирования распределенной генерации на базе ТЭ в нужны только газовые сети, которые надежнее, дешевле и эффективнее электрических и тепловых сетей. Существующие средства хранения сжиженных углеводородных газов и разработка эффективных технологий доставки и хранения небольших объемов сжиженного природного газа в принципе позволяют отказаться и от газовых сетей и перейти к полностью автономному энергоснабжению потребителй.

Успешная разработка электрохимических технологий (топливных элементов, аккумуляторов и электролизеров) способна совершить революцию в использовании возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Прежде всего это касается наиболее масштабных видов ВИЭ - солнечной и ветровой энергии, характеризующихся стохастической энергоотдачей. При этом суточное и недельное регулирование режимов электрогенерации может осуществляться с использованием электрохимических аккумуляторов, а сезонное - путем реализации т.н. «водородного цикла». Его основу составляют

- электролизеры, обеспечивающие получение из воды водорода и кислорода за счет избыточной электроэнергии, производимой в периоды максимальной энергоотдачи ВИЭ;

- система длительного хранения водорода (и кислорода в случае замыкания цикла по воде);

- топливные элементы, обеспечивающие генерацию электроэнергии в периоды минимальной энергоотдачи ВИЭ.

Крупномасштабное вовлечение ВИЭ в мировой топливно-энергетический баланс способно оказать кардинальное, во многом разрушающее воздействие на традиционные энергетические рынки, в частности, чрезвычайно важные для России рынки газа и угля.

Электрохимические технологии могут оказать революционное воздействие и на транспортный сектор, создавая условия для массового перехода автотранспорта на электрическую и гибридную тягу. Это обеспечит кардинальное решение проблемы очистки атмосферы городов от выбросов автотранспорта, где они обычно являются превалирующими. В то же время, замещение нефтепродуктов на транспорте электроэнергией и водородом, получаемыми за счет ВИЭ, приведет к резкому сокращению спроса на традиционные моторные топлива, что окажет разрушающее воздействие на глобальный рынок нефти. Не актуальными могут оказаться многие активно продвигаемые в настоящее время в России проекты добычи и переработки тяжелой нефти, освоения ресурсов углеводородов арктического шельфа и т.д., характеризующиеся чрезвычайно высокой капиталоемкостью и сомнительной экономической эффективностью.

В последнее десятилетие наблюдается тенденция к стремительному росту у конечных потребителей приборов, использующих постоянный ток: компьютеры, телевизоры, бытовые приборы, многочисленные мобильные устройства, светодиодное освещение и т.д. Широкое внедрение технологий, генерирующих постоянный ток, включая топливные элементы, фотоэлементы, ветрогенераторы, микротурбины, может поставить вопрос о возвращении постоянного тока в массовый сегмент потребительского рынка. Таким образом удастся сократить количество ступеней трансформации энергии и соответствующие им энергетические потери и экономические затраты. Это потребует создания нового электротехнического оборудования массового спроса, что откроет для электротехнической промышленности новые, по истине гигантские возможности.

Для широкого внедрения ТЭ в энергетику важным является вопрос об их топливоснабжении. Для работы низкотемпературных ТЭ обычно используется достаточно чистый водород. Высокотемпературные ТЭ менее требовательны к качеству топлива и успешно работают на СО-водородной смеси. Это означает, что энергоустановки с ТЭ должны оборудоваться топливным препроцессором, в котором исходные топлива - природный газ, сжиженные углеводородные газы, биогаз и т.д. предварительно преобразуются в водород или СО-водородную смесь. Это удорожает энергоустановки и накладывает определенные ограничения на их функциональные характеристики (время пуска, скорость набора нагрузки и др.). Очевидно, что получение чистого водорода обходится существенно дороже. Поскольку на достаточно долгую перспективу (на весь 21 век) основным топливом в стране будет природный газ, то высокотемпературные ТЭ могут оказаться более востребованными в стационарной энергетике. Низкотемпературные ТЭ могут найти применение в качестве одного из основных компонентов «водородного цикла» в системах использования ВИЭ. Их развитие будет поддерживаться хорошими перспективами крупномасштабного применения на транспорте, где у них абсолютный приоритет.

С целью увеличения КПД энергоустановок с топливными элементами необходимо обеспечить максимально высокую степень (в пределе - полную) окисления топлива в ТЭ при минимальном избытке воздуха. Это позволит минимизировать наиболее крупные величины потерь энергии в установке - с химическим недожогом топлива и уходящими газами. Кроме того, следует увеличивать энергетическую эффективность процесса подготовки топлива, в частности, путем применения более эффективных катализаторов конверсии метана, снижения температуры процесса, использования «химической регенерации» тепловой энергии продуктов конверсии. КПД применяемых препроцессоров пока, как правило, не превышает 85%.

Важным является вопрос о разработке оптимальных технологических схем энергоснабжения автономных потребителей на основе когенерационных установок (КГУ) с ТЭ, обеспечивающих эффективное покрытие достаточно сложных суточных и сезонных графиков электрических и тепловых нагрузок, к тому же, не совпадающих между собой. Требуется определить рациональные значения технических характеристик КГУ (прежде всего, величины удельного производства электроэнергии на тепловом потреблении - соотношения E/Q), емкости и мощности аккумуляторов электрической и тепловой энергии, зависящих от структуры электрических и тепловых нагрузок потребителя, их суточной и годовой динамики, а также соотношения электрического и когенерационного КПД когенерационной установки с ТЭ. Очевидно, что это задача оптимизационная и решать ее надо на основе технико-экономического анализа. энергоснабжение виртуальный физический

Основным сдерживающим фактором для широкого внедрения энергоустановок на топливных элементах в энергетику является их высокая стоимость, причем, как приобретения, так и владения. Высокая стоимость приобретения ТЭ в решающей степени обусловлена их мелкосерийным производством, часто с большой долей ручного труда, и применением дорогостоящих материалов (компонентов катализаторов). По оценкам Департамента энергетики США переход к массовому производству топливных элементов позволит снизить их стоимость в разы. Так, увеличение производительности предприятия с 1 тысячи топливных элементов в год до 30 тысяч уменьшает их удельную стоимость в 3 раза, до 130 тысяч - в 4 раза и до 500 тысяч - 4,6 раз [56]. Эти оценки наряду с успехами в экономии дорогостоящих материалов и замещении их более дешевыми дают уверенность в достижении в недалеком будущем энергоустановками с ТЭ величин удельной стоимости приобретения, сопоставимой с аналогичными показателями для конкурирующих технологий.

Высокая стоимость владения энергоустановками с топливными элементами во многом связана с относительно небольшим рабочим ресурсом ТЭ (обычно 20-40 тыс. часов против 80-140 тыс. часов у конкурирующих технологий) и весьма существенной деградацией электрического КПД и электрической мощности ТЭ с течением времени (до 2-3% на каждую 1000 рабочих часов). Ежегодные условно-постоянные эксплуатационные расходы для установок с ТЭ составляют примерно 2% от их первоначальной стоимости, весьма высокой как указывалось выше. Для достижения топливными элементами конкурентоспособности с альтернативными технологиями необходимо в 2-3 раза увеличить рабочий ресурс ТЭ и на порядок сократить скорость деградации их параметров. Имеются основания полагать, что эти достаточно сложные научные и инженерные задачи в скором времени будут успешно решены. Это подтверждается обнадеживающими результатами многочисленных разработок. Так, в [6] отмечается, что для топливных элементов BlueGen фирмы CFCL проблема деградации КПД уже практически решена, а расчетная величина их рабочего ресурса достигла 60 тыс. часов.

Весьма оптимистичны целевые требования Департамента энергетики США для разработчиков ТЭ на период до 2020 г. применительно к когенерационным установкам с ТЭ малой мощности (1-10 кВт) [7] и средней мощности (0,1-1 МВт) [8]. Удельные капиталовложения «под ключ» установлены соответственно 2000-2400 долл/кВт и 1500 долл/кВт, а рабочий ресурс - 60 и 80 тыс. часов. Полагается, что достижение данных индикаторов позволит энергоустановок с ТЭ успешно конкурировать с альтернативными технологиями - КГУ с газопоршневыми двигателями и микротурбинами.

Эффективность применения энергоустановок с топливными элементами может быть существенно повышена путем объединения их в локальные электроэнергетические системы на низком напряжении (т.н. «микро-грид»). В таких системах не будет жесткого управления электрогенераторами из единого диспетчерского центра, что характерно для существующих электроэнергетических систем. Балансирование спроса и предложения электроэнергии осуществляется на локальном рынке автоматически с использованием интеллектуальных средств и на основе экономического критерия. Такие системы позволяют реализовать концепцию «распределенной электростанции», что дает возможность уменьшить резерв мощности, требуемый для покрытия пиковых нагрузок, обеспечить высокий уровень надежности электроснабжения, более строго выдерживать нормируемые требования к качеству электроэнергии. Все электрические связи в таких системах должны быть двунаправленными. Управление режимами работы электрогенерирующих и электропотребляющих установок может осуществляться через сеть Интернет (концепция «Энергетический Интернет»). Исследования показали, что объединение в микро-грид 15 потребителей с электрической нагрузкой 10-15 кВт и неплотным графиком электропотребления (например, индивидуальных домовладений) позволяет сократить суммарную мощность установленных электрогенераторов примерно в 2,5 раза, 50 потребителей - в 4 раза, 100 и более потребителей - в 5,5 раза.

Таким образом, технологические достижения темпы НТП дают все больше оснований полагать, что электроэнергетика мира стоит на пороге нового технологического уклада. Он будет связан с переходом от централизованного энергоснабжения, базирующегося на крупных электростанциях и мощных электрических сетях, к децентрализованному, в основе которого лежат технологии «распределенной генерации», размещаемые непосредственно у потребителей. В качестве эффективных средств распределенной генерации широкое применение могут получить электрохимические технологии производства и аккумулирования энергии и технологии возобновляемой энергетики. Очевидно, что переход к новому укладу будет длительным. Это обусловлено, во-первых, созданной огромной и дорогостоящей энергетической инфраструктурой и, во-вторых, необходимостью достижения технологиями распределенной генерации конкурентоспособности с традиционными энергоустановками. Безусловно, нет нужды отказываться от централизованного электроснабжения там, где это технически и экономически целесообразно. Страны, первыми создавшие экономически конкурентоспособные технологии распределенной электрогенерации и наладившие крупномасштабное производство соответствующего оборудования, получат глобальные конкурентные преимущества на многие годы вперед.

Своевременная разработка и освоение данных технологий в России обеспечит технологический прорыв в отечественной энергомашиностроительной промышленности и позволит занять ей достойное место в глобальной системе создания добавленной стоимости. Для отечественной экономики появляется реальный шанс перехода от сырьевого уклада к высокотехнологичному. Данные технологии могут явиться катализатором процесса реиндустриализации страны и составить ее основу.

Перспективы научно-технологического развития электроэнергетики России

В России электроэнергетика в своем становлении следовала мировым тенденциям. Процесс централизации электроснабжения в стране растянулся почти на весь 20 век. Во второй его половине стала формироваться Единая электроэнергетическая система (ЕЭЭС) страны, одна из крупнейших в мире. Параллельно достаточно активно шел процесс создания крупных систем централизованного теплоснабжения на базе теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) - электростанций с комбинированным производством электрической и тепловой энергии. Централизованное теплоснабжение и комбинированная выработка электроэнергии и тепла стали важнейшими особенностями отечественной электроэнергетики.

Формирование в стране систем централизованного электро- и теплоснабжения было вызвано объективными причинами:

- ростом спроса на электрическую и тепловую энергию в результате увеличения численности населения и индустриализации страны;

- интенсивной урбанизацией страны и концентрацией электрических и тепловых нагрузок в городах;

- высокой энергетической и экономической эффективностью повышения единичной мощности энергетического оборудования и концентрации энергетических производств;

- несовпадением географического размещения основных топливных баз и центров потребления энергии;

- необходимостью решения социальных и экологических проблем, прежде всего, в городах.

В настоящее время основу электроэнергетики страны составляют крупные тепловые, атомные и гидравлические электростанции единичной мощностью 1 ГВт и более. В структуре установленных мощностей их доля достигает 58%, а в структуре выработки электроэнергии - 62%. Доля малых электростанций (установленной мощностью менее 100 МВт) относительно невелика: по мощности - 7,5% (примерно 18 ГВт), по выработке электроэнергии - 5,5% (около 58 млрд. кВтч).

Основу теплообеспечения страны составляют системы централизованного теплоснабжения, доля которых в суммарном производстве тепловой энергии достигла 82%. Оставшиеся 18% потребностей в тепловой энергии покрываются источниками децентрализованного теплоснабжения - индивидуальными теплогенераторами (домовыми печами, котлами центрального отопления и горячего водоснабжения, придомовыми котельными), использующими различные виды топлива, преимущественно природный газ, а также электроэнергию. В системах централизованного теплоснабжения основными источниками тепла выступают ТЭЦ (45%) и котельные (48%). Доля прочих теплоисточников (промышленные теплоутилизационные установки и т.д.) весьма мала -менее 7%.

Между тем, факты говорят о том, что развитие систем централизованного электро- и теплоснабжения в стране практически достигло своего предела. Это обусловлено следующими причинами:

- ростом затрат в развитие и функционирование созданной энергетической инфраструктуры;

- трудностями эффективного управления режимами работы структурно сложных электроэнергетических и теплоснабжающих систем с протяженными связями, обеспечивающего их устойчивую и надежную работу;

- большими расходами энергии на собственные нужды электрических и тепловых сетей;

- достижением традиционными энергоустановками пределов энергетической и экономической эффективности от увеличения единичной мощности оборудования и концентрации производства.

Рост затрат в развитие и функционирование энергетической инфраструктуры вызван, прежде всего, высокой степенью износа основных фондов, необходимостью обеспечения нормативных требований к надежности энергоснабжения потребителей, большими затратами на ремонт старого оборудования. Большие простои оборудования в ремонте снижают коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) электростанций, что неизбежно ведет к повышению себестоимости производства электроэнергии. В настоящее время около 77% оборудования тепловых электростанций (ТЭС) общего пользования находится в эксплуатации более 30 лет, а 49% - более 40 лет. Эти мощности характеризуются низким КПД, низкой надежностью, большими затратами на ремонт оборудования, и потому давно требуют вывода из эксплуатации и замены на более эффективные.

Следствием увеличения затрат в системы централизованного энергоснабжения становится рост цены энергии для конечных потребителей. Во многом это вызвано увеличением в цене энергии доли так называемой «сетевой составляющей», т.е. затрат на передачу и распределение энергии. Она может быть определена как разность между ценой производителя и ценой приобретения энергии. В настоящее время величина сетевой составляющей в цене электроэнергии в целом по всем потребителям превышает 58%, тогда как десять лет назад она равнялась 47%. При этом у мелких (распределенных) потребителей она существенно выше: около 70% у населения и 77% в сельском хозяйстве. Впрочем, это вполне закономерно, поскольку отражает дополнительные затраты на распределение энергии среди мелких потребителей.

Расходы электроэнергии на собственные нужды электросетевого комплекса (потери в сетях общего пользования) за последние 25 лет, с 1990 года, увеличились в 1,3 раза, с 8,6% до 11,2%, несмотря на огромные затраты в данный сектор электроэнергетики. Также в 1,3 раза возросли потери тепловой энергии в тепловых сетях общего пользования (с 8,3 до 10,7%).

Приоритетные направления технологического развития электроэнергетики России определяются многими факторами, в частности,:

* исходным состоянием отраслей ТЭК (техническим, финансовым и т.д., формируют исходную точку для развития);

* рыночным спросом на продукцию энергетики (объемы, цены - формируют ресурсы для развития);

* рыночными условиями топливоснабжения (ресурсы, цены - формируют затратную базу);

* физико-техническими характеристиками имеющихся ресурсов ВИЭ (определяют конкуренцию технологий на базе ВИЭ и ископаемых топлив). свойствами систем энергетики (инерционностью, адаптационными возможностями и т.д.);

* сложившимися тенденциями (вектором движущих сил);

* ожидаемыми достижениями НТП (в конкурирующих направлениях в энергетике и смежных отраслях);

* внешними условиями/ограничениями (угрозы, вызовы, «окна возможностей» - формируют граничные условия);

* ресурсным обеспечением (доступность финансовых ресурсов и стоимостью заимствования, кадровым обеспечением и др.);

* управляющими воздействиями (системой управления и нормативно-правовой базой в энергетике).

Литература

1. Mario Hermann, Pentek Tobias, Otto Boris. Design Principles for Industrie 4.0 Scenarios: A Literature Review. - Technische Universitдt Dortmund: Working Paper No. 01, 2015. - 16 p.

2. Каганович Б.М., Филиппов С.П., Анциферов Е.Г. Эффективность энергетических технологий: термодинамика, экономика, прогнозы. - Новосибирск: Наука, 1989. - 256 с.

3. Fuel Cell Module for Highly Efficient Electricity (Gennex Brochure). - Ceramic Fuel Cells Limited, 2010. - 2 p.

4. BlueGen: Next generation electricity (BlueGen Brochure). - Ceramic Fuel Cells Limited, 2012. - 4 p.

5. DOE Hydrogen and Fuel Cells Program Record N14008, April 2014. - 3 p.

6. CFCL reports longer stack life // Modern Power Systems, 2015, N 2, p.34.

7. Micro CHP Fuel Cell System Targets. - DOE Hydrogen and Fuel Cells Program Record N11016, March 30, 2012. - 7 p.

8. Medium-scale CHP Fuel Cell System Targets. - DOE Hydrogen and Fuel Cells Program Record N11014, March 30, 2012. - 5 p.

Размещено на Allbest.ru