• Главная →
• Зеленое строительство →
• Библиотека online →
• Энергоэффективность и экологическая безопасность — основы устойчивого развития

Энергоэффективность и экологическая безопасность — основы устойчивого развития

Российская академия естественных наук — самая крупная общественная академия России, объединяющая более 5 тысяч ведущих специалистов, работающих в различных отраслях по наиболее значимым направлениям научно-технического прогресса, среди которых энергоэффективность, энергосбережение и развитие возобновляемой энергетики. Экономия ресурсов и охрана окружающей среды — две неразрывно связанные и актуальные проблемы, решению которых во всем мире уделяется большое внимание. Россия обладает огромными топливно-энергетическими ресурсами. Однако до сих пор этот потенциал продолжает использоваться далеко не лучшим образом. Сегодня на единицу выпускаемой продукции в России расходуется в 2,5–3 раза больше энергии, чем в США и Западной Европе, и в 4 раза больше, чем в Японии.

Потенциал энергосбережения в российской энергетической промышленности очень велик. Наряду с энергоустановками, работающими с коэффициентом полезного действия 90 % и выше, действует большое количество технологических печей, газотурбинных установок, сушильных агрегатов, КПД которых не превышает 30 %. Эффективность использования теплоты в этих агрегатах можно значительно повысить, причем для этого требуются капиталовложения, существенно меньшие в сравнении с затратами на добычу эквивалентного количества углеводородного топлива.

Опыт показывает, что внедрение новых энергосберегающих технологий, требующее подчас немалых инвестиций, в любом случае выгоднее, чем разработка новых месторождений и строительство новых энергетических мощностей. Одновременно реализуется главный принцип устойчивого развития — сохранение невозобновляемых источников энергии для будущих поколений. Кроме того, меньше энергии затрачивается на выпуск единицы продукции, уменьшаются выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. Уже сегодня в среднем по России на каждый вложенный в энергосбережение рубль получают 3,5–4 рубля экономии бюджетных средств. А общий потенциал энергосбережения в России оценивается в 30–40 % к суммарному потреблению первичных энергоресурсов.

Энергосбережение в металлургии

Металлургический комплекс России традиционно является базовым для экономики страны. В докризисный период металлургия играла важнейшую роль в формировании госбюджета, уступая в этом только топливно-энергетическому комплексу. При существующей структуре экономики эта отрасль — крупнейший промышленный потребитель энергоресурсов. На ее нужды идут 30 % электроэнергии, 25 % природного газа, 10 % нефти и нефтепродуктов, почти 90 % коксующихся углей от общего потребления в промышленности, на металлургию приходится до 17 % от суммарного энергопотребления в стране. Из развитых стран близка к России в этом отношении только Япония, где доля металлургии в общем потреблении энергии, по оценкам, составляет до 12 %. В США эта цифра менее 4 %. Очевидно, что ресурсосбережение в металлургии России имеет государственное значение. Отрасль занимает особое положение во всех федеральных и межотраслевых программах развития энергетики и энергопотребления в стране. По расчетам, реальное значение потенциала энергосбережения в РФ до 2020 года может составить около 80 млн тонн у. т. (условного топлива), из которых 50 млн тонн связаны с горнорудным производством и черной металлургией. В условиях продолжающегося мирового экономического кризиса значение ресурсосбережения повышается на порядок. К сожалению, стабильные и благоприятные для нашей металлургии годы (1999–2008) были использованы с точки зрения ресурсосбережения недостаточно эффективно [1].

Таблица. Годовое потребление основных энергоносителей в металлургии России в 2007 году

Энергоносители	Ед. изм.	Черная металлургия	Цветная металлургия	Всего по отрасли
Электроэнергия	млрд квт∙ч	60	85	145
Природный газ	млрд м 3	22	8	30
Уголь энергетический	млн т	2	7	9
Мазут топочный	млн т	2	2	4

Энергопотребление в отрасли в среднем на 75 % обеспечивается за счет приобретения на рынке первичных топлива и энергии и лишь на 25 % — за счет собственной выработки электрической и тепловой энергии, а также вторичного использования топливно-энергетических ресурсов (ВЭР). Долю собственного производства энергоресурсов необходимо повышать, учитывая, что стоимость этой энергии в 2–3 раза ниже. Возможность успешно решать эту задачу доказали ряд наших предприятий: ММК, ОХМК, НЛМК, «Норильский никель» и др.

Перспективы биоэнергетики

Широкое использование биоэнергетики может сыграть существенную роль в ускоренном развитии внутреннего рынка России. Это подтверждает опыт Китая, Индии, Европейского союза, США, Бразилии и других стран.

Среди основных направлений биоэнергетики можно выделить производство топлива из сельскохозяйственных масличных культур, переработку отходов растениеводства, содержащих целлюлозу, переработку отходов животноводства, производство водорослей для превращения в биотопливо.

Активное производство сельскохозяйственных культур — рапса, подсолнечника, кукурузы и других — ведет к ускоренной деградации почв и быстрому выводу их из хозяйственного оборота. Учитывая, что в основном производителями данных культур являются развивающиеся страны, в которых ощущается дефицит продовольствия, такие технологии вряд ли найдут широкое распространение. Переработка стеблей кукурузы и других отходов, которые традиционно остаются на полях, также ведет к снижению плодородия почв, так как эти органические остатки являются основными почвообразующими составляющими [2].

Исходя из этого, особенно применительно к условиям России, наиболее перспективными следует признать технологии переработки отходов животноводства и птицеводства.

При введении в эксплуатацию около 3,8 млн биогазовых станций и установок и условии, что переработке будут подвергаться все отходы, производство биогаза может составить почти 12,5 млрд м 3, что эквивалентно более 8,92 млн т у. т./год [3].

Потребление электрической энергии в животноводстве составляет 13–14 млрд кВт∙ч в год или 62–64 % от общего потребления (20,3–22,7 млрд кВт∙ч) на производственные цели в сельском хозяйстве в последние годы.

Только животноводческие и свиноводческие комплексы крупных хозяйств могут производить до 4,56 млрд м 3 биогаза в год (3,26 млн т у. т./год) — или 46,6 % от количества энергоресурсов, потребляемых современным российским животноводством. Одновременно с биогазом будет произведено до 114,4 млн тонн в год высокоэффективных органических удобрений, что достаточно для обработки от 38,1 млн до 114,4 млн гектаров.

Аналогичные расчеты сделаны по отходам птицеводства для всех категорий хозяйств. Общее поголовье птицы в России составляет 391,16 млн голов. Суточный выход биогаза — 61 тыс. м ³; выработка электроэнергии на все установки — 121,6 тыс. кВт∙ч в сутки, или 44,4 млн кВт∙ч в год. Выработка тепловой энергии — 200 млн ккал в сутки, 74 млрд ккал в год. Одновременно с биогазом все установки могут производить до 28,3 тысячи тонн высокоэффективных органических удобрений в год, чего достаточно для обработки от 9,4 до 28,3 тысячи гектаров.

Снижение энергоемкости сельского хозяйства является важной государственной задачей.

Перспективна также переработка отходов лесной промышленности путем использования передвижных пиролизных установок, которые позволяют получать как жидкое, так и газообразное топливо, которое может быть использовано на месте лесоразработок на собственные нужды.

Резонансные линии электропередачи

Крупные энергетические компании во многих странах мира вкладывают гигантские средства и научные ресурсы в создание технологии высокотемпературной сверхпроводимости для снижения джоулевых потерь в линиях.

В Институте электрификации сельского хозяйства под руководством действительного члена РАЕН, доктора технических наук, профессора Д. С. Стребкова разработан более эффективный способ снижения потерь, по крайней мере, в магистральных и межконтинентальных линиях электропередачи — регулируемые резонансные волноводные системы передачи электрической энергии на повышенной частоте 1–100 кГц, которые не используют активный ток проводимости в замкнутой цепи [4]. В волноводной однопроводниковой линии нет замкнутого контура, нет бегущих волн тока и напряжения, а есть стоячие (стационарные) волны реактивного емкостного тока и напряжения со сдвигом фаз 90°. За счет настройки резонансных режимов, выбора частоты тока в зависимости от длины линии можно создать режим пучности напряжения и узла тока (например, для полуволновой линии). При этом джоулевые потери становятся незначительными. Изменяется и механизм передачи электрической энергии. В обычных двух-трехпроводных линиях при включении генератора возникают бегущие волны тока, которые должны достигнуть нагрузки и вернуться к генератору.

В резонансной однопроводниковой волноводной линии при наличии стационарных волн незамкнутого электрического тока электрическая энергия присутствует в любой точке линии. Новая физика электрических процессов, связанная с использованием не активного, а реактивного тока, позволит решить три главные проблемы современной электроэнергетики:

• создание сверхдальних линий передачи с низкими потерями без использования технологии сверхпроводимости;
• увеличение пропускной способности линий;
• замена воздушных линий на кабельные однопроводниковые волноводные линии и снижение сечения токонесущей жилы кабеля в 20–50 раз.

Энергоэкологическая переработка низкокалорийных видов твердого топлива

Бурное развитие нефте- и газодобычи существенно сократило использование традиционных низкокалорийных видов природного топлива, таких как торф и горючие сланцы.

В то же время наметилась устойчивая тенденция роста мировых цен на нефть. Кроме того, по прогнозам ведущих специалистов, разведанных запасов нефти хватит не более чем на 30–50 лет. Возникает острая необходимость поиска альтернативных источников энергии. Большинство таких источников (солнечные преобразователи, ветроустановки, водородные проекты и др.) довольно дороги и недостаточно проработаны технологически.

В этой ситуации весьма перспективными становятся экологически чистые технологии переработки низкокалорийного минерального топлива, которые позволяют получать жидкие и газообразные углеводороды.

Наиболее перспективны из таких видов топлива торф, горючие сланцы и бурый уголь.

При переработке из одной тонны сланцев получается от 110 до 250 кг жидкого углеводородного топлива (аналога нефти) и до 40 кг газа. При увеличении температуры процесса увеличивается выход газа и соответственно снижается количество жидкой составляющей. Получающаяся известковая зола (до 400–500 кг) может быть использована для производства цемента или для нужд мелиорации.

При переработке бурого угля выход жидкого топлива несколько ниже, а газа существенно больше. В этом процессе можно получать полукокс, который можно использовать (в смеси с коксом) в черной металлургии.

Целесообразно одновременно организовать переработку сланцевого масла (нефти) на основные фракции (бензин, дизельное топливо и др.), а также золы для производства стройматериалов. Выделяемое тепло можно использовать в коммунальном хозяйстве.

Организация подобных производств позволит развить местную инфраструктуру за счет создания новых рабочих мест, обеспечения топливными и энергетическими ресурсами. При этом капитальные затраты будут минимизированы: нет необходимости строительства трубопроводов, линий электропередачи и железнодорожных путей. Все это обеспечит устойчивое региональное развитие.

Стоимость получаемого таким способом жидкого топлива составляет 20–25 долл. за баррель, что существенно ниже рыночной стоимости нефти, кроме того, получается ряд других полезных материалов.

Мировые залежи горючих сланцев составляют 465 трлн тонн, что во много раз превышает запасы всех других источников топлива, вместе взятых. Этого хватит, чтобы удовлетворять спрос на углеродное топливо в течение многих сот лет.

Хорошие перспективы имеет использование бурых углей, запасы которых также значительны.

В Советском Союзе был разработан процесс «Галотер», который заключается в термическом разложении (пиролизе) органической части сланцев (керогена) при нагревании в реакторе без доступа кислорода до 450°С путем перемешивания с теплым теплоносителем — золой. При разложении керогена выделяется углеводородная парогазовая смесь, которая поступает в стандартные нефтехимические аппараты, где при охлаждении она разделяется на газ и различные нефтяные фракции.

Процесс был реализован на установках с твердым теплоносителем (производительностью 500 т/сут. и 3000 т/сут.), в настоящее время согласовываются контракты на производство нескольких заводов для зарубежных заказчиков.

Эти установки перерабатывают сланец с крупностью от 0 до 30 мм. Целесообразно вместе со сланцем перерабатывать органические отходы, использованные автопокрышки, нефтешламы и др., в результате чего выход жидких топлив увеличивается до 180 кг/т, а полукоксового газа — до 49 кг/т.

Возможна утилизация тепла и дымовых газов и сланцевой золы для выработки пара 40 атм., 440 °С для выработки электрической и тепловой энергии (для собственных нужд).

Некоторые технико-экономические показатели работы установок «Галотер» Годовая мощность — 850 тыс. т Производительность установки — 3000,0 т/сут. Стоимость установки — 40,0 млн $ Срок строительства ~ 30 мес. Затраты на добычу 1 т сланцев — 9–11 $ Чистая прибыль — 15–17 млн $/год Основные выходные продукты Жидкие фракции сланцевого масла Q = 38 МДж/кг — 120–140 тыс. т Полукоксовый газ Q = 43,5 Мдж/кг или 48 МДж/м 3 –30–35 тыс. т Попутная продукция* Известняковый щебень — 530 тыс. м 3 Сланцевая порода (зола) — 430 тыс. м 3 Техническая вода — 2,9 млн м 3 * Данные для месторождения в Ленинградской обл.

По мнению специалистов РАЕН, развитие технологий переработки низкокалорийного топлива перспективно для регионов и стран, богатых сланцами и бурыми углями, где отсутствует развитая транспортная сеть, имеется рассредоточенное население, к примеру, в Монголии. Это может существенно помочь решению проблемы энерго- и топливообеспечения отдаленных районов страны на местах.

В последнее время большое внимание уделяется разработке и внедрению технологий подземной газификации углей и сланцев.

Многие страны Европы и Северной Америки в настоящее время существенно увеличили добычу и использование торфа. В частности, в Финляндии торф составляет более 28 % энергобаланса страны, ускоренными темпами используется торф в других странах Северной Европы, Ирландии и Канаде. Это обусловлено тем, что стоимость его невысока, при сжигании облагороженного торфа выброс токсичных веществ в атмосферу в 5–10 раз ниже, чем при сжигании угля, нефти и даже природного газа. Технология добычи торфа экологически безопасна и сохраняет лесные массивы [5]. Сам по себе торф можно отнести к возобновляемым видам топлива, поскольку торфообразование относится к естественным биологическим биохимическим процессам. Принимая во внимание, что основные залежи торфа во многих случаях находятся на большом отдалении от магистральных газопроводов и электростанций, в труднодоступных и малонаселенных районах, прокладка ЛЭП и газификация этих территорий являются дорогостоящими и экономически неперспективными. В такой ситуации наиболее целесообразно создание производств по переработке торфа для получения моторного топлива и газа, строительство малых электростанций вблизи мест добычи. Это, в свою очередь, обеспечит развитие локальной инфраструктуры и занятость населения, снизит объем дорогостоящих поставок топлива. Как показывает опыт прошлых лет, контролируемая разработка торфяников обеспечит сохранение природного гидрологического баланса и предотвратит крупномасштабные пожары, которые нередко приносят большой ущерб экономике и экологии многих регионов и представляют постоянную опасность для населения.

Бесхлорная технология получения моносилана и поликристаллического кремния

Сегодня ни у кого не вызывает сомнения развитие солнечной энергетики на основе полупроводниковых преобразователей. В то же время существующие промышленные технологии достаточно дорогие и не являются экологически безопасными.

Тысячи организаций во всем мире работают над получением моносилана (SiH ₄) и поликристаллического кремния (ПКК), стремясь при этом к экологической чистоте, простоте, дешевизне и одновременно к миллиардным прибылям.

Однако при получении более 70 % ПКК производители используют хлорный метод (Сименс-процесс), по которому на каждую тонну ПКК в виде отходов получается 10–15 тонн хлора и соляной кислоты, что не отвечает указанным выше требованиям. Из известных бесхлорных технологий интерес представляют карботермическая, алкоксисилановая и ацидолиз силицида магния. Последняя — наиболее перспективна, по ней производится примерно 30 % ПКК, и передовые позиции занимает в этом японская фирма Komatsu. В последнее время этот метод бурно развивает японо-норвежская корпорация Renewable Energy Corporation (REC), вложившая в это 500–600 млн долларов. Особый интерес она уделяет развитию пиролиза моносилана в реакторах с «псевдокипящим» слоем, и только на это израсходовано уже более 100 млн долларов.

Специалистами РАЕН под руководством члена-корреспондента РАЕН К. Х. Урусова разработана модифицированная, более совершенная технология получения моносилана и ПКК, в основу которой положен также принцип ацидолиза силицида магния. На первой стадии технологического процесса из порошкообразного кремния и металлического магния по оригинальной методике синтезируется силицид магния. На второй стадии, подавая в реактор последовательно или параллельно порошкообразный силицид магния и неорганическую кислоту, например, серную, получают раствор сульфата магния и моносилан. Последний подвергается тщательной очистке известными способами (абсорбцией, адсорбцией, хемосорбцией и др.). Далее моносилан направляется в пиролизер специальной конструкции, где подвергается пиролизу по принципиально новой схеме. В качестве «затравочного» материала впервые предложено использовать волокна, полученные из чистого кремния, диаметр которых составляет 10–1000 мкм. Материал обладает высокой пористостью и развитой поверхностью. Волокна укладываются в трубы, также изготовленные из чистого кремния, причем плотность заполнения объема трубы составляет 10–60 %. Атомы кремния «осаждаются» на поверхности волокон, и после оптимального заполнения объема трубы процесс останавливается, трубы извлекаются из камеры, дробятся, переплавляются и используются как товарный ПКК.

Еще одним преимуществом этой технологии является то, что она позволяет параллельно или последовательно производить в промышленном масштабе моносилан, причем цена его будет на 20–40 % ниже среднемировой.

Раствор сульфата магния, который получается как промежуточный продукт, переводится в гидроокись магния и сульфат натрия. Гидроокись магния после незначительной доработки превращается в чистый товарный ликвидный продукт. Сульфат же натрия, путем электродиализа превращается в крайне необходимые для самого процесса вещества, а именно: серную кислоту и щелочь, водород и кислород. Все это практически обеспечивает превращение технологического процесса в безотходный, безреагентный и замкнутый.

Технологический процесс имеет следующие преимущества:

• практическое отсутствие выхлопов и выбросов в окружающую среду;
• экономия расхода электроэнергии на 25–40 %;
• обеспечение одновременного сбалансированного получения ПКК, моносилана, кислоты, щелочи, водорода и кислорода;
• увеличение выхода ПКК с единицы площади на 25–40 % и снижение цены на 20–40 %;
• применение впервые в качестве «затравочного» материала при пиролизе кремниевого волокна с высокой эффективностью;
• обеспечение прибыльности производства ПКК при производительности начиная от 50 тонн в год.

Специалистами РАЕН проводятся также разработки в других областях возобновляемых источников энергетики, современной ядерной энергетики, экологической безопасности, отделения академии участвуют в формировании стратегии энергоэффективности для различных предприятий и отраслей экономики.

Подробнее об этом — в следующих номерах журнала «ЮНИДО в России».

Литература

1. Колпаков С. В. Энергосбережение в металлургии. Материалы 5-й международной конференции «Энергетика и экология». М., 2009.
2. Биелло Д. Биотопливо: призрачные надежды//В мире науки. 2011, № 10. С. 23–31.
3. Панцхава Е. С. Отечественная биоэнергетика — как элемент развития внутреннего рынка России. Материалы 5-й международной конференции «Энергетика и экология». М., 2009.
4. Стребков Д. С. Об электроэнергетике, основанной на незамкнутых электрических токах. Материалы 5-й международной конференции «Энергетика и экология», М., 2009.
5. Блохин А. И., Зарецкий М. Т., Стельмах Г. П., Фрайман Г. Б. Энерготехнологическая переработка топлив твердым теплоносителем. М.: Светлый Стан, 2005.
6. Пути вовлечения невостребованных топливно-минеральных ресурсов России, РАЕН, Сборник прогнозно-аналитических оценок на период до 2050 г., МНТЦ. Москва, 2011.

Статья предоставлена журналом «ЮНИДО в России»: Энергоэффективность и экологическая безопасность — основы устойчивого развития