Форсайт-исследование технологий угольной генерации энергии

ЭКО. - 2011. - №4

В статье представлен подход к измерению уровня развития технологий угольной генерации посредством количественного сравнения значений их ключевых параметров. На основе экспертных оценок научных сотрудников и специалистов-практиков региональных предприятий энергетики дана характеристика современного состояния и перспективы технологического развития угольной энергетики в мегарегиональном разрезе: Сибирь, Россия, мир.

Ключевые слова: форсайт, угольная генерация, технологическая модернизация, индикаторы развития

Форсайт-исследование технологий угольной генерации энергии

В.И. СУСЛОВ, член-корреспондент РАН, заместитель директора, Н.В. ГОРБАЧЕВА, А.В. КУЗНЕЦОВ, Н.О. ФУРСЕНКО, Институт экономики и организации промышленного производства СО РАН, Новосибирск

Цели, задачи, методология

Цель настоящего исследования - формирование информационного массива технологического развития угольной энергетики на основе экспертных оценок научных сотрудников и специалистов-практиков региональных предприятий электроэнергетики. Были определены следующие основные задачи, которые необходимо осуществлять последовательно, шаг за шагом:

• оценка места и роли угольной генерации в энергетической отрасли Сибири, России и мира в целом;

• определение ключевых технологий цикла производства -транспортировки - потребления электроэнергии;

• выявление макроиндикаторов, характеризующих технологический уровень угольной энергетики, с учетом международной практики;

• соизмерение технологии по макроиндикаторам и геополитическому принципу: Сибирь, Россия, мир, и по времени: современное и перспективное состояния (2050 г.).

В последние десятилетия в мире широкое распространение получили форсайт^исследования, нацеленные на определение перспективных направлений научно-технологического и инновационного развития разных отраслей экономики, в том числе энергетики.

Форсайт-проект «Угольная энергетика: Сибирь, Россия, мир» является первым шагом масштабного исследования, посвященного проблеме модернизации экономики Сибири. Его результатами в перспективе станут не только модели технологического прогресса, наборы технологических макрохарактеристик и разнообразные количественные оценки их значений, но и «дорожные карты» - программы действий.

На первом этапе была выбрана угольная энергетика - наиболее перспективная с точки зрения как запасов углей в Сибири, так и общего тренда развития технологий генерации в мире. Из составных частей процесса генерации (добыча топлива, транспортировка, подготовка, сжигание, очистка, складирование несжигаемых остатков) был выбран основной объект - технологии сжигания и трансформации энергии.

При этом авторы руководствовались следующими документами:

UNIDO Technology Foresight Manual, United nations industrial development organization, Vienna, 2005;

Science and Technology Foresight Survey 8. Delphi Analysis (May 2005), NISTEP REPORT No.97;

Программа дисциплины «Основы прогнозирования инновационного развития методами Форсайта», А.В. Соколов, ГУ-ВШЭ, 2009 г.

Методология исследования опиралась на комплекс экспертных методов и предусматривала несколько этапов. Эксперты отбирались из числа ведущих специалистов-практиков в области энергетики, ученых и представителей органов государственного управления. Для расширения пула экспертов использовался также метод кономинации («снежного кома»). Всего отобрано несколько десятков экспертов, объединенных в экспертные панели.

1 Форсайт (foresight) - процесс, связанный с систематическими попытками заглянуть в долгосрочные перспективы развития науки, технологий, экономики и общества в целом с целью выявления сфер стратегических исследований и развивающихся фундаментальных технологических решений, обладающих наибольшими экономическими и общественными выгодами (глоссарий ЮНИДО).

Предстояло сформулировать названия технологий и те индикаторы, с помощью которых могут быть получены оценки современного состояния и перспектив развития технологий угольной генерации. На предварительном этапе было предложено свыше 20 «крупных» технологий, из которых экспертными панелями по тематическим направлениям выбирался окончательный вариант перечня технологий и индикаторов.

Например, в рамках темы оценки современного состояния и прогноза технологий слоевого факельного сжигания угля изначально были предложены следующие технологические решения: сжигание в слое на решётке, кипящий слой, циркулирующий кипящий слой. В ходе проведения неформализованных интервью с экспертами и дискуссий была выбрана технология циркулирующего кипящего слоя как способная задавать скорость развития угольной генерации.

Дискуссионным моментом стало определение системы критериев для отбора перспективных технологий угольной энергетики. Для этого специально сформированная экспертная группа, руководствуясь социально-экономическими целями, изложенными в основных стратегических документах правительства РФ, выделила технологии, способствующие их достижению в кратчайшие строки. Подобный подход отвечает глобальным трендам новейших форсайт-исследований, которые все больше ориентируются на социальные аспекты технологического развития.

Для обоснования системы индикаторов, которые наиболее ёмко и полно описывают технологии, был сделан специальный обзор литературы и проведена серия неформальных интервью с учеными и практиками для выделения целей, на достижение которых должны быть направлены перспективные технологии угольной генерации. В результате был сформирован перечень макроиндикаторов, характеризующий перспективные технологии угольной энергетики.

Опрос экспертов был организован как в устной форме -в виде неформализованных интервью и экспертных панелей, так и письменной (заполнение таблицы «Технологии - индикаторы» и представление экспертного заключения).

Экспертные панели проводились в четыре раунда, в них участвовали ведущие специалисты из сферы науки и образования, реального сектора экономики, органов государственного

управления. Повестка экспертных панелей отражала назревшие противоречия и возникшие неясности в ходе исследования и была нацелена на достижение консенсуса в решении поставленных задач.

Неформализованные интервью с экспертами проводились для сбора дополнительной уточняющей информации и ознакомления с промежуточными результатами исследования и документами строгой конфиденциальности.

В общей сложности были получены заполненные экспертные заключения от более чем 10 топ-экспертов, представлявших ведущие энергетические компании (ООО «Сибтермо», ОАО «СибКОТЭС», «Группа Е4» и т.д.) и научно-исследовательские институты (Институт теплофизики СО РАН, ООО «Топливно-энергетический независимый институт», Институт энергетических исследований РАН, ОАО «Сибирский энергетический научно-технический центр» и т.п.).

В ходе четвертого раунда опроса экспертам сообщались интегрированные результаты экспертных заключений с тем, чтобы каждый респондент имел возможность скорректировать свои ответы с учетом позиции профессионального сообщества.

В итоге по рассматриваемым перспективным технологиям угольной генерации были выделены:

• ключевые индикаторы современного состояния: КПД (нетто), удельный расход топлива, нагрузка на окружающую среду выбросами СО2, N0^ 802;

• технологии с оценкой их возможного вклада в решение важнейших энергетических проблем России и Сибири;

• прогноз развития технологий до 2050 г. с учетом реализации стратегии построения инновационно-ориентированной экономики в России;

• потенциальные экономические, социальные и экологические эффекты, связанные с реализацией перспективных технологий;

• рекомендации по мерам энергетической политики, способствующим опережающему развитию актуальных технологических направлений (заимствование - собственный задел - импортозамещение).

Первые результаты исследования

В целом эксперты оценивают перспективы энергетической отрасли России и, в частности, Сибири достаточно скромно. Лишь в области технологий когенерации и использования нестандартных углей большинство экспертов отметили возможность усиления позиций страны на мировых рынках. Основные проблемы развития угольной энергетики, на решение которых должна быть направлена государственная политика, связаны со стандартизацией углеводородного топлива, ужесточением экологических стандартов сжигания углей и подготовкой квалифицированных кадров. В то же время многие эксперты отмечают значимость использования зарубежных современных технологий. Решающая роль в модернизации угольной энергетики отводится экономической эффективности участия отдельных энергокомпаний.

Важный тренд научного поиска, который будет усиливаться в будущем, - создание комбинированных технологий угольной генерации, объединяющих преимущества отдельных методов и избавленных от их недостатков.

Интегральные оценки современного состояния и прогноз тенденций на первом этапе исследований были представлены в виде траекторий развития технологий угольной энергетики в координатах температуры и КПД, которые являются ключевыми физическими показателями эффективности сжигания угля.

В результате в качестве перспективных были выделены четыре технологии: факельное сжигание, циркулирующий кипящий слой, парогазовые установки на угле, энерготехнологический комплекс. Пределы научно-технологического прогресса в сфере преобразования угля в электричество задаются идеальным циклом Карно. Геополитические различия современного уровня развития технологий учитывались при сопоставлении вышеупомянутых технологий в разрезе «мир, Россия, Сибирь».

Факельные технологии в настоящее время задаются широким диапазоном температурных режимов (560-700°С) и КПД (34-48%). При использовании данного метода смесь мелкоразмолотого угля и горячего воздуха непрерывно

подается в зону горения, поддерживая горящий факел, являющийся источником лучистой и тепловой энергии для нагрева рабочего тела.

Главное направление развития технологий факельного сжигания заключается в увеличении его КПД посредством повышения температуры и давления пара. Основные ступени развития - это докритические (8,8 и 12,8 МПа), сверхкритические (23,5 МПа, 560°С) и суперсверхкритические параметры (30 МПа, 620°С; 30-35 МПа, 700°С).

Научный поиск направлен на развитие данных технологий с точки зрения изменения состава топлива, температуры и давления пара, внутренних процессов горения угля, схем эффективного переноса энергии топлива в тепловую и электрическую форму. В настоящее время факельные технологии угольной генерации позволяют сжигать угли различных бассейнов с различной теплотворностью, зольностью и др. при соответствующих технологических изменениях процессов. Развитие данного направления в СССР привело к появлению технологий, позволяющих строить крупные тепловые электростанции, запроектированные на использование высокозольных, низкокалорийных и влажных углей. Последствием стало то, что технологии обогащения не применялись.

Анализ источников позволил выявить следующие технологии сжигания, основанные на принципах факельного сжигания: псевдофакельное, низкотемпературное вихревое, низкоэмиссионное вихревое, камерное водоугольное.

На современном этапе в Сибири данные технологии представлены докритическими параметрами пара с КПД 34-36%, в европейской части России имеются технологии с суперкритическими параметрами - с КПД 33,2-37,8% (например, Рязанская ГРЭС). Технологический разрыв современного состояния факельного сжигания в России объясняется значительным транспортным плечом доставки угля от места его добычи (Сибирь) до потребителей в европейской части страны. Начальник отдела перспективного развития ЗАО «У4-СибКОТЭС» Е.Е. Русских так комментирует сложившуюся ситуацию: «Удорожание угля в процессе его доставки в европейскую часть России стимулирует ГРЭС использовать более эффективные технологии сжигания угля для выработки электроэнергии, повышая температурный режим давлением и, как следствие, КПД». 3 ЭКО №4, 2011

Перспективы факельного сжигания связаны с суперсверх-критическими параметрами пара в целях прироста КПД по сравнению с суперкритическими параметрами на 1,5-2%. Для этого необходимы новые сверхжаропрочные металлы для котлов, новая система вентиляции и улавливания пара. По мнению ряда экспертов, в результате соотношение усилий для реализации данных технологических решений и прирост КПД будут не в пользу суперсверхкритических технологий факельного сжигания угля. Ориентировочная стоимость энергоблоков на суперкритических параметрах пара колеблется от 1250 до 1300 дол./кВт (в ценах 2009 г.). Между тем в мире уже сейчас достигнуты значения КПД в 50%, а в ближайшей перспективе он будет доведен до 55% при повышении температуры до 1000 0С.

Технология сжигания в циркулирующем кипящем слое

в России представлена только на стадии проектного образца. Она относится к технологиям слоевого сжигания и представляет собой сжигание твердого топлива в слое, состоящем из достаточно крупных фракций, с подводом воздуха к поверхностным слоям.

В зависимости от объема и скорости подаваемого из-под слоя окислителя выделяют следующие основные технологии: стационарный, пузырьковый (кипящий) и циркулирующий кипящий слой. Среди нетрадиционных технологий здесь можно выделить водоугольное сжигание в кипящем слое, сжигание в кипящем слое и в циркулирующем кипящем слое под давлением, низкотемпературный кипящий слой.

Современная мировая энергетика работает на технологии сжигания в циркулирующем кипящем слое при КПД 36-40% с перспективой довести его до 52-55% за счет инновационных решений в механизме подачи топлива. Несмотря на существенный рост КПД, вопрос об эффективности данной технологии дискуссионный. По мнению Ю.Н. Дубинского, главного специалиста ТЭП ОАО «ЭТНЦ», «преимущества данной технологии весьма сомнительны, и её продвижение на российский энергетический рынок политизировано за счет лоббирования интересов зарубежных проектировочных компаний для расширения рынка сбыта довольно устаревшей под "инновационной оберткой" технологии». Ориентировочная стоимость подобных энергоблоков - от 1430 до 1490 дол./кВт (в ценах января 2005 г.).

Парогазовые установки на угле относятся к технологии и газификации угля. Суть ее заключается в получении из твердого топлива газообразного продукта «синтез-газа», который является основным компонентом генерации тепловой и электрической энергии на станции.

Анализ источников показал наличие и других технологий-газификации топлива. Среди них необходимо выделить парогазовые установки: с внутренней газификацией угля, со сжиганием угля в слое под давлением, с низкотемпературной газификацией угля, с газификацией нефтяного кокса, во-доугольное сжигание с газификацией.

Происходит развитие вышеперечисленных технологий в сторону повышения технологических параметров и экономической эффективности выработки энергии. Однако сегодня получают развитие «чистые технологии» генерации, суть которых заключается в улавливании и удалении СО2 с последующей его утилизацией.

Парогазовые установки на угле в мире работают с КПД 43-47%, их основное преимущество связано с меньшей нагрузкой на окружающую среду. Выбросы N0x составляют менее 25 мг/нм3, 802 - менее 5 мг/нм3, выбросы С02 снижаются в 2-4 раза. Данная технология является относительно новым и высокопотенциальным направлением в угольной энергетике; в перспективе планируется довести КПД до 52-53%. В России существует ряд амбициозных инновационных решений, которые позволяют поднять КПД до 64%. Ориентировочная стоимость таких установок составляет 1400-1430 евро/кВт (в ценах января 2005 г.).

Энерготехнологический комплекс является объектом малой энергетики и в исследовании представлен для иллюстрации преимуществ и перспектив по сравнению с технологиями большой энергетики. В России данные технологии практически не представлены. В Китае, например, подобные комплексы мощностью 75 МВт работают с КПД 39,6-41,3%, в перспективе планируется увеличение их мощности до 200-300 МВт, КПД - до 42-43%. Суммарный объем капитальных вложений в расчете на тонну условного топлива (перерабатываемого) составляет 400-500 дол. (в ценах января 2005 г.).

Анализ экспертных заключений позволяет сформулировать некоторые общие утверждения по четырем основным направлениям. 3*

Оценка современного состояния и перспектив развития технологий угольной генерации в России

Имеющиеся пылеугольные блоки на докритических параметрах пара должны пройти техническое перевооружение и модернизацию: предстоит осуществить переход на более высокие параметры пара (суперкритические), в зависимости от качества угля применять установки серо- и азотоочистки, рукавные и электрофильтры для защиты окружающей среды.

В районах Сибири, где расположены крупнейшие месторождения дешевого угля открытой добычи, целесообразно строительство новых ГРЭС и ТЭС с уже освоенными суперкритическими параметрами пара (23,5 МПа, 560°С) с совершенствованием и использованием новых систем очистки дымовых газов, с переходом в последующем на суперсверхкри-тические параметры с технологиями захвата и удаления СО2. Для ГРЭС с дорогим углем, строящихся в европейских регионах РФ, целесообразен переход на суперсверхкритические параметры пара. Для этого необходимо освоение новых дорогостоящих материалов.

Прогнозируется завершение гонки возрастания мощности котла - уменьшение темпов строительства и количества блоков 800 МВт и более с переходом на блоки 100-500 МВт, которые и будут составлять основу энергосистемы. Одновременно будет возрастать роль распределенного, децентрализованного тепло- и энергоснабжения, повысятся его надежность и эффективность.

Важным направлением является применение технологий стадийного сжигания угля, что дает возможность использовать преимущества каждой технологии, нивелируя недостатки и минимизируя паразитические энергетические издержки.

Развитие энерготехнологических комплексов позволит в процессе генерации энергии получать дополнительные продукты, востребованные рынком. Данные комплексы не станут заменителями технологий большой энергетики из-за специфики потребляемого топлива и требований потребителей производимых вторичных продуктов, но нишевое их применение перспективно.

Необходимо поступательное развитие технологий утилизации твердых отходов горения, с целью стимулирования их применения в дальнейшем производстве, а также отказ от

применяемых технологий утилизации, нарушающих «полезные» свойства отходов. Это даст возможность получать из них чистые товарные продукты.

Из-за неблагоприятного инвестиционного климата в энергетической отрасли России решение проблем модернизации возможно только при участии государства через госзаказ или частно-государственное партнерство.

Точка зрения о наличии условий реализации НИОКР

В настоящее время имевшийся задел научных разработок и технологических решений практически исчерпан. Для отдельных технологий, например, сжигания в циркулирующем кипящем слое, целесообразно приобрести лицензию у зарубежного производителя и получить готовое решение «под ключ». Газотурбинные установки большой мощности для комплектации парогазовых установок с газификацией угля в России в настоящее время в промышленных масштабах не производятся. Они могут быть изготовлены по лицензии или приобретены у одной из ведущих мировых производящих компаний. Параллельно следует вести разработки по созданию энергетических установок большей мощности.

Необходимо закупать по лицензии только критически важные компоненты технологии, а вспомогательное оборудование производить на российских производственных площадках, параллельно их развивая. Иначе не будет стимула для модернизации российского производственного оборудования.

Изготовление котлов-утилизаторов и паровых турбин для мощных парогазовых установок на угле возможно в РФ. Следует лишь увеличить их надёжность и значительно улучшить качество сервисного обслуживания.

Требования к топливу

В перспективе технологии угольной генерации будут развиваться в России в направлении универсальности, отказа от настройки оборудования на сжигание углей определенных месторождений, повышения качества, химического состава, способности быстрой замены угля одного месторождения на уголь другого без потери эффективности сжигания и ухудшения экологических параметров технологии (в основном за счет введения стандартов обогащения). Однако необходима организация процесса обогащения топлива с учетом возможного

использования отходов для других технологических решений угольной генерации.

Оценка возможных проблем

Один из основных барьеров для внедрения котлоагрегатов с суперкритическими параметрами пара - сравнительно дешевое топливо - уголь. Эффект повышения КПД при росте температуры и давления пара нивелируется увеличением удельных капитальных затрат на строительство станции. Снижение эмиссии загрязняющих веществ (из-за сокращения удельного расхода топлива) может достигаться за счет не только повышения параметров котлоагрегатов, но и других более простых технических решений, зачастую с меньшими капитальными затратами.

Препятствий для внедрения технологии сжигания в циркулирующем кипящем слое в настоящее время нет, однако строить такие станции необходимо в угледобывающих регионах в связи со спецификой потребляемого топлива.

Развитие технологий газификации угля имеет технологические ограничения, связанные с низкой надежностью и малым сроком межремонтного обслуживания оборудования, недопустимыми для энергетики. В потенциале возможен только рост удельных капитальных вложений при строительстве станций из-за необходимости повышать надежность оборудования до принятых в энергетике стандартов.

Одной из важных проблем в отрасли является преобладание краткосрочных целей развития перед долгосрочными. Отсутствуют тарифная политика и государственный контроль за пользованием золоотвалами, не стимулируется полная переработка золы за счет снижения ее стоимости, идет лоббирование технологических решений, малоэффективных в российских условиях.

Выводы

По результатам обзора зарубежных и отечественных источников информации и работы экспертов можно сделать следующие общие выводы.

Развитие мировых технологий угольной генерации в основном направлено на уменьшение выбросов в окружающую

среду, повышение экологических параметров. Из-за увеличения стоимости угля в мире они направлены в сторону уменьшения удельного расхода топлива и роста КПД. Необходимо отметить, что данные процессы взаимосвязаны.

В России массово применяются только технологии факельного сжигания угля на докритических параметрах пара. Индикаторы по данной устаревшей технологии значительно уступают мировым значениям. Преимущество отечественных технологий заключается в их способности сжигать топливо низкого качества (большое количество примесей, низкая энергетическая ценность), однако при этом не учитываются возможные эффекты от переработки продуктов сгорания в полезные продукты.

В настоящее время в России существуют проектные и технологические возможности для развития технологий угольной генерации. Имеются научные заделы, которые находятся на лабораторном уровне испытаний. Передовые технологии, применяемые в мире для генерации энергии, полностью готовы для возможной продажи потребителям. Сегодня целесообразно закупать лицензии на данные технологии, строить совместные предприятия, обучать персонал вместо того, чтобы искать выход из технологического тупика. В процессе работы с современными технологиями необходимо проводить научный поиск, направленный на рост их эффективности, улучшение параметров технологий. Такой поиск будет способствовать также развитию современных технологий в стране.

Основными барьерами на пути развития технологий угольной генерации в России являются низкая стоимость угля, которая препятствует повышению эффективности станций, слабый контроль за их влиянием на окружающую среду, законодательство, не стимулирующее развитие технологий. Существующие планы развития российской угольной энергетики в основном заключаются в модернизации оборудования на основе устаревающих технологий.

Стоит отметить значимость процесса принятия решений в капиталоёмкой отрасли угольной генерации. Особо выделяется отсутствие заинтересованной стороны в ее модернизации на основе новых технологий. Важно изучить вопросы платежеспособности потребителей энергии и промежуточных продуктов угольной генерации с учетом их себестоимости.