Если вы в общих чертах представляете, как устроена современная угольная электростанция с высоким КПД, то японцы вас все равно удивят. Такого последовательного наслоения технологий сейчас нет нигде: в одном месте собраны и газификация угля, и котлы сверхвысокого давления, и топливные элементы. Плюс улавливание СО₂.

Зачем все это? Думаю, японцы понемногу догадываются (добродушный сарказм), что всевозможные ветряные парки дают энергию лишь 20% времени в году. А в остальные «счастливые моменты» дома все равно чем-то надо топить. Желательно чем-то «зеленым», маневренным и недорогим, чтобы экономика не треснула. А еще они «догадываются», что энергетике нужен переходный период ко всему «зеленому», а не политические заявления о резком перескоке на ВИЭ и нравоучения шведских школьниц (Грета, привет).

Ниже рассказ японского профессора о том, что делают и что уже сделали в направлении «зеленого угля». А также про то, как все это устроено.

Этот пост — моя попытка аккумулировать данные из трех больших онлайн-лекций профессора Наото Цубоути, которые он читал в рамках программы «Приглашенные профессора из Японии» в Южно-Сахалинской Точке кипения при СахГУ. Цубоути — доктор технических наук, он работает в Университете Хоккайдо на инженерном факультете регионального исследовательского центра синтеза энергии и материалов.

Что вообще происходит на энергетическом рынке

По факту энергетический кризис 2021 года и не думает заканчиваться. У него для этого довольно много причин, но главное, что эти причины объединяет — дестабилизация.

Во-первых, головокружительно сложная мировая логистика не выдержала резких скачков спроса и предложения, вызванных остановками производств в разных частях мира из-за пандемии COVID-19. По всему миру выросли простои и накладные издержки, потерялась стабильность поставок, возникли многочисленные «бутылочные горлышки». 

Для экономики, которая последние десять лет старалась работать «с колес» (привет канбану!), не создавая складских запасов, это оказалось серьезным ударом.

Во-вторых, непродуманный «зеленый переход», усиленно пропагандируемый некоторыми странами в течение последних десятилетий, вылился в попытку сделать ставку на изначально нестабильные возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Нестабильные, как выяснилось, не только в краткосрочном плане, но и в долгосрочном: длительная безветренная погода практически остановила ветрогенерацию в ЕС, вынудила сжигать запасы газа, отложенные на зиму, и стала одной из причин дефицита. 

Хотя использование ВИЭ необходимо для достижения международно установленных целей углеродной нейтральности, этот способ может подвести в любой момент. Кроме того, со своей нестабильной генерацией дестабилизирует рынок в целом, так как объемы производства энергии непредсказуемы. Это мешает работе АЭС, которые не выдерживают нестабильного режима работы, не позволяет планировать закупки и потребление энергоносителей, нужные объемы производства и т. д.

В-третьих, большую роль стали играть геополитические факторы. Энергетика, да и экономические международные связи в целом, все больше политизируется. США требует от стран Персидского залива увеличить добычу, а они отказываются. Европа конфликтует с Россией. Катар не хочет наращивать производство сжиженного природного газа (СПГ) для снабжения Европы. Китай по политическим соображениям отказывается от закупок угля в Австралии. Это еще больше дестабилизирует рынок, создает новые неопределенности и риски, что приводит к дополнительному росту издержек и цен.

При этом энергетика как отрасль экономики особенно плохо переносит такие резкие скачки спроса. Провал рынка в 2020 г. загнал «в минус» всех поставщиков энергоносителей. Они были вынуждены продавать нефть и газ чуть ли не бесплатно, и сейчас они не торопятся наращивать производство обратно, опасаясь новых провалов и компенсируя прошлогодние убытки.

Азиатский рынок пострадал от скачков спроса и цен не меньше, а может, и больше европейского: цены на сжиженный природный газ уверенно подбираются к 1500 долларов за тысячу кубометров, и страны-потребители ищут неочевидные способы обеспечить свою энергобезопасность. Это, собственно, ключевая функция государства — обеспечить достаточно энергии, чтобы промышленность работала без перебоев, а граждане не замерзли. Многие почему-то стали воспринимать стабильность поставок и доступность энергии как данность, тогда как в реальности это сложная и хрупкая система, для поддержания которой прикладывают много усилий.

Энергетика Японии — в чем проблема

В Японии ситуация с энергоносителями никогда не была простой. С одной стороны, страна промышленно развита, много высокотехнологичных производств с высоким потреблением энергии, население сосредоточено в крупных городах с централизованным производством энергии для обогрева и выработки электричества.

С другой — собственная добыча обеспечивает меньше 12% энергобаланса, остальное завозят из-за рубежа. Это один из наименьших показателей в мире. В Японии есть собственные запасы угля, но при сегодняшней ситуации в мире разрабатывать их экономически невыгодно. Поэтому страна постоянно исследует новые и хорошо забытые старые способы производства энергии.

Учитывая современную ситуацию и геополитические риски, страна должна осторожно подходить к выбору импортируемых энергоносителей и максимально диверсифицировать поставки. Поэтому Япония не только внедряет новые, «чистые» способы производства энергии, но и развивает традиционные, добиваясь максимальной экологичности даже от такого неприемлемого в новом «зеленом» мире энергоносителя, как уголь. 

Чем сейчас «топят» в Японии

Попробуем разложить все по полочкам.

ВИЭ

Экологическая повестка, борьба с глобальным потеплением и достижение углеродной нейтральности приводят к необходимости расширять использование возобновляемых источников энергии.

Гидроэнергетику в последнее время все чаще выделяют в отдельный вид с самостоятельным учетом, поэтому «правильные» ВИЭ включают в основном солнечные и ветряные станции. Проблема последних в том, что в среднем они работают лишь ~20% времени, поэтому на случай затишья приходится держать наготове 100% замещающих тепловых мощностей:

Вдобавок такие возобновляемые технологии очень недешевы в производстве. Они окупаются только при условии больших субсидий, которые в той или иной степени всегда идут из дополнительного налога на традиционные источники энергии. Это приводит к росту цен на энергию в целом и снижает конкурентоспособность экономики.

Несмотря на все это, ВИЭ по-прежнему приоритетный вид генерации энергии: они соответствуют международно установленным целям достижения углеродной нейтральности.

Атомная энергетика

Атомная энергетика в Японии после аварии на АЭС «Фукусима-2» и заражения большой территории имеет отрицательную репутацию. В то же время вряд ли от нее откажутся полностью. Скорее всего, она так и будет занимать небольшую долю в энергобалансе государства, а точный процент будет зависеть от экономической ситуации, политических и экологических факторов.

Природный газ

Природный газ выглядит одним из предпочтительных вариантов ископаемого топлива с точки зрения как экологичности, так и экономических преимуществ, однако и с ним все непросто. Политические факторы много лет задерживали строительство газопровода из России, к тому же сейчас любые объемы природного газа готов выкупать Китай. 

Сжиженный газ, СПГ, более мобилен, но он заметно дороже и, как выяснилось, очень легко уходит туда, где платят больше.

То есть газ тоже не гарантированный источник энергии, а за стабильность поставок придется доплачивать. Плюс в его отношении также действуют и геополитические риски.

Остается еще один традиционный энергоноситель — уголь.

Уголь

У этого сырья целый ряд преимуществ: низкая цена и удельная стоимость на единицу вырабатываемого тепла, извлекаемые запасы больше, чем у нефти и газа, а месторождения есть во многих странах в разных регионах, что создает нужный уровень диверсификации и снижает геополитические риски.

Уголь всегда играл важную роль в производстве электроэнергии и тепла. Даже сейчас, несмотря на экологическую повестку последних десятилетий, он обеспечивает до 1/3 всей вырабатываемой энергии.

Основная проблема угля — в экологичности. При сгорании выделяется большое количество вредных выбросов, включая углекислый газ и окись серы, плюс зола и сажа. Это серьезная проблема сама по себе, даже без учета экономических мер стимулирования, системы платы за вредные выбросы и цели по достижению углеродной нейтральности.

Если решить проблему выбросов, уголь может стать жизнеспособной альтернативой другим источникам энергии.

Что в других странах

Мировой угольный рынок довольно велик. Крупнейшие потребители угля — Китай и Индия, в последние два десятилетия импорт угля этими странами растет быстрыми темпами.

Соответственно, растут и прогнозы вредных выбросов. Предполагается, что большая часть роста будет приходиться на Китай и Индию.

При этом в 2017 году картина с выбросами выглядела следующим образом (см. правый столбец):

Как видно, в списке «лидеров» оказались и США. Отчасти за счет большой доли устаревших угольных электростанций. При этом, согласно мировым данным, 62% всех вредных выбросов образуются при сжигании ископаемого топлива. Япония на пятом месте с долей 3% — в частности, потому, что внедрила технологии снижения вредных выбросов.

На графике ниже видно, как в Японии снижали количество выбросов. Корея подходит к ее уровню только сейчас, а Китай серьезно отстает. Однако и там делают серьезные усилия, чтобы сократить вредные выбросы. 

Не все угольные станции одинаково полезны

Западные страны, те же США и Германия, долгое время предпочитали инвестировать в другие источники энергии и потому не модернизировали свою угольную промышленность. Там в основном до сих пор работают морально устаревшие угольные станции с высоким уровнем выбросов, не использующие новые технологии очистки.

В Японии 100 из 140 устаревших электростанций уже закрыли или планируют к закрытию. Вместо них строят новые станции, использующие современные технологии, которые будут потреблять меньше угля, но давать больше энергии и меньше выбросов.

За счет чего повышают КПД угольных ТЭЦ

Для начала уголь измельчают до состояния пыли, этот способ начали активно использовать еще в середине 80-х. Это позволяет улучшить сгорание, получить больше тепла. Снижается объем вредных выбросов, а оставшиеся лучше поддаются фильтрации. Выхлоп от сгорания уходит в атмосферу, пройдя оборудование денитрации, электростатический фильтр и обессеривание:

Следующий шаг для увеличения КПД — поднятие температуры и давления пара с помощью «котлов сверхкритического давления» (USC):

За счет правильного подбора температуры и давления перегретого пара такие котлы позволяют поднять КПД с 37–40 до 42–44%:

Япония стала одной из первых стран, начавших строительство этого типа котлов. Другие страны тоже идут по этому пути, но с отставанием:

Проекты новых угольных станций

Вот несколько уже работающих станций с повышенным КПД, использующих новые технологии.

Еще пример: в июне 2020 г. эффективность выработки на ЭС Такихара поднялась до 48%. КПД 48% — это абсолютный рекорд в угольной энергетике. Следующий шаг — вводить в топливную смесь до 10% биомассы.

Следующий этап повышения КПД — котлы будущего IGCC/IGFC

Технологии газификации с комбинированным циклом (IGCC, Integrated coal gasification combined cycle) и газификации с комбинированным циклом и топливными элементами (IGFC, Integrated gasification fuel cell cycle) позволяют еще поднять эффективность и практически полностью устранить вредные выбросы в атмосферу за счет топливных элементов и газификаторов, продувки кислородом и ряда других технологий.

Начнем с IGCC. На схеме выше представлено сравнение традиционной электростанции на газовом топливе и комбинированной IGCC. Отличие состоит в блоке подготовки топлива (на рисунке отмечен сиреневым фоном), но в остальном они сходны. Это позволяет сделать существующие станции битопливными.

Однако давайте вернемся к угольным. Типичная угольная станция работает так: уголь измельчают в пыль, чтобы увеличить площадь поверхности, затем его сжигают для получения пара, пар крутит турбину, которая и производит электричество. На такой станции СО₂ можно улавливать только после сжигания, когда его уже трудно захватить. Ключевое отличие IGCC от традиционной схемы — предварительный этап газификации угля, он коренным образом меняет процесс работы.

Этап 1. Газификация угля. На первом этапе уголь или иное твердое топливо (твердые остатки нефти или биомассу) в закрытом реакторе с недостатком кислорода и под большим давлением превращают в синтетический газ (синтез-газ), состоящий из оксидов углерода и водорода: C_xH_y + (x/2)O₂ → (x)CO₂ + (y/2)H₂.

Газификатор не только производит синтез-газ для газовой турбины, но и плавит золу, выводя ее вниз. В обычных угольных станциях нельзя использовать уголь с низкими температурами плавления золы: образуется шлак в виде летучего пепла, который забивает зону горения. А станция IGCC выдает плотный шлак, который стекает вниз. Его собирают и используют для строительства дорог и в цементных смесях.

Газификатор имеет двухкамерную (если работает на воздухе) или однокамерную (если работает на кислороде) двухступенчатую структуру. При использовании кислорода можно ограничиться однокамерным двухступенчатым газификатором с вихревым потоком, оснащенным горелками в верхней и нижней части цилиндрической камеры. Можно регулировать соотношение угля и кислорода отдельно вверху и внизу, добиваясь оптимальной температуры для плавления золы внизу и для оптимальной реакции газификации вверху в зависимости от используемого угля. Также можно организовать вихревой поток для оптимизации времени нахождения в камере угольных частиц: чем быстрее они сгорают — тем эффективнее и экономичнее процесс.

Этап 2. Очистка синтез-газа. В IGCC вредные твердые частицы и примеси выделяются при газификации, где их легче отфильтровать.

Очистка синтез-газа включает фильтры для удаления крупных частиц, мокрую очистку для удаления мелких частиц и твердые адсорбенты для удаления ртути. Некоторые удаляемые компоненты, такие как сера, можно использовать для производства сторонних продуктов.

Фильтрация позволяет сделать топливо более чистым и однородным. При использовании дополнительного технологического оборудования реакция водно-газового сдвига (CO + H₂O → CO₂ + H₂) позволяет получить газ с более высоким содержанием водорода — повысить эффективность газификации и снизить выбросы монооксида углерода за счет его преобразования в диоксид углерода. Полученный в результате реакции сдвига диоксид углерода можно отделить, сжать и сохранить для дальнейшей утилизации.

На этапе газификации вода, охлаждающая газификатор, превращается в пар, который направляют на паровую турбину для выработки электричества.

Этап 3. Сжигание синтез-газа. На следующем этапе полученный синтез-газ, который представляет собой уже практически чистый водород H₂, сжигают. Полученная энергия раскручивает газовую турбину, производящую электричество. Эффективность работы турбины напрямую зависит от температуры. Сегодня используют турбины с рабочей температурой 1600 градусов, как и на газовых станциях, но разрабатывают турбины с рабочей температурой 1700 градусов.

В комбинированном цикле выделившееся тепло выхлопа газовой турбины улавливает паровой генератор Heat Recovery Steam Generator (HRSG), его назначение — производить пар для паровой турбины. То есть паровую турбину крутит пар как образовавшийся на этапе газификации, так и полученный из тепла выхлопа газовой турбины, дополнительно повышая эффективность использования тепловой энергии.

Поэтому такие станции называют «интегрированными»: синтез-газ используют как топливо для газовой турбины в комбинированном цикле, а пар, произведенный охладителями синтез-газа при газификации, идет в паровую турбину. В обычной электростанции синтез-газ используют лишь как топливо для газовой турбины, производящей электроэнергию.

Преимущества и недостатки IGCC

По сравнению с обычными угольными станциями IGCC более выгодны: они имеют большую тепловую эффективность, низкие выбросы парниковых газов (кроме СО) и могут работать на низкокачественном угле. Общий выигрыш эффективности достигает 15%.

Еще IGCC потребляет меньше воды — в обычной станции турбину крутит пар, который потом конденсируют охлаждающей водой. Та, в свою очередь, расходуется за счет активного испарения. А здесь часть сгорания происходит в газовой турбине, которая использует энергию расширяющихся газов напрямую. Пар используют, чтобы забрать тепло из выхлопа газовой турбины и использовать во вторичной паровой турбине. Выход горячей воды на градирни, которую уже не используют для получения энергии, у IGCC ниже где-то на 30%.

Основная проблема IGCC — высокая стоимость строительства и обслуживания. А также существенные выбросы СО2 в отсутствие системы улавливания, с которой отдельная история. Тем не менее эта технология позволяет переоснащать старые станции, сохраняя их в работе и приводя по уровню выбросов к более современным требованиям.

Пойдем дальше. На слайде ниже — развитие технологии от котлов сверхвысокого давления к IGCC и дальше к IGFC:

IFGC — дальнейшее развитие IGCC, теперь в систему добавляют высокотемпературные твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), вырабатывающие электроэнергию из химической реакции без сжигания. Они занимают место газовой турбины, а топливом для них служит основной компонент синтез-газа — водород.

Практическая реализация: проект Osaki CoolGen

IGFC тестируют в рамках проекта Osaki Coolgen:

На первом этапе реализовали кислородную газификацию угля. Сейчас работают над вторым этапом — кислородной газификацией с улавливанием СО₂.

Наконец, на третьем этапе в схему IGCC добавят твердооксидные топливные элементы — получится система IGFC с улавливанием СО₂. В рамках проекта хотят оценить, насколько вырастет КПД при задействовании топливных элементов. В перспективе система будет использовать все три технологии получения электроэнергии: паровую турбину, газовую турбину и топливные элементы.

На первом этапе удалось, в частности, оценить высокую маневренность станции: она может работать и как стабильная базовая генерирующая станция, и как маневровая, компенсирующая провалы в других видах генерации или удовлетворяющая резкие скачки спроса. Общая тепловая эффективность при будущем коммерческом использовании оценивают примерно в 46%. Сейчас достигли 40,8% с одновременным снижением выбросов СО₂ на 15% по сравнению с максимально эффективными котлами USC. Вдобавок станция подтвердила способность работать с разными типами угля, включая низкокачественные битуминозные и суббитуминозные.

Как японцы видят ближайшую перспективу

Если говорить о далеких перспективах, Япония старается развивать все направления. Многие японские компании входят в международную организацию RE100, цель которой — 100% энергии от ВИЭ и полная углеродная нейтральность. В стране активно продвигаю ESG-инвестирование — инвестирование с социальной ответственностью. Эти инициативы затронут всю промышленность в государстве.

Ветряные станции в перспективе будут давать 25% от всей получаемой энергии. Потенциал у этого направления большой, но он еще не реализован. Если говорить о более близких планах, к 2024 г. общая доля ВИЭ должна достичь 22–24% всей энергетики согласно принятым обязательствам. Уголь будет давать где-то 26% энергии, газ — 27%, атомные станции — 20–22%.

Станции на СПГ и угле будут использоваться и в качестве страховочных ресурсов. За счет высокой маневренности они смогут быстро закрывать дефицит производства со стороны ВИЭ.

Водород считают перспективным источником энергии, но сегодня его дорого производить и сложно использовать. Поэтому промышленное применение, скорее всего, дело далекого будущего.

В целом, современные технологии «зеленой» угольной генерации недешевы. Это может подорвать экономическую выгоду от их строительства и использования в сравнении со старыми, пусть и неэкологичными, но дешевыми станциями. А развивающиеся страны могут и вовсе «не потянуть» новые технологии.

Поэтому, по мнению японцев, разумно не требовать полного отказа от угля в мировом масштабе, а постепенно поднять эффективность его использования и снизить наносимый планете ущерб с помощью обновленных электростанций. Это даст еще один условно «зеленый» источник энергии, обеспечивающий хорошие экологические показатели, который позволит государствам сохранить энергетическую безопасность и получать энергию по разумной цене.

Вдобавок уголь может стать хорошей страховкой на случай дисбаланса и дефицита на рынке энергоносителей. С учетом того, что на энергетическом рынке не все прагматики (иначе кризиса бы не случилось), позиция Японии выглядит вполне взвешенной. Кто-то скажет, что это от безысходности. Однако логика и реализм — это отдельные сущности, не связанные напрямую с безысходностью или, наоборот, благоприятными условиями. Я думаю так.