К ПРОБЛЕМЕ ЭМИССИИ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ ОБЪЕКТАМИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

Производство и потребление электрической энергии и транспорта в ХХI веке требуют все больших объемов потребления ископаемых природных энергоносителей – угля, газа, нефти и урана. Только органических топлив потребляется в настоящее время более 20 млрд. т.у.т. ежегодно

Органические топлива и уран накапливались в литосфере Земли в течение сотен миллионов лет благодаря естественным процессам ассоциации атомов химических элементов и разложения продуктов развития биосферы. На рисунке 1 показан характерный график формирования и потребления природных энергоносителей, показывающий, что современная скорость потребления энергоресурсов превышает скорость их образования–то, что природа создавала 500 млн. лет, мы сжигаем за 500 лет, т.е. в миллион раз быстрее

[4]

.

Рисунок 1 - Процессы образования в природе и расходования человеком запасов органического топлива:

1 - процесс образования (500 млн. до н. э. - 10 млн.л. до н.э.); 2 - процесс использования человеком топлива (от 1800 по 2300)

DOI:10.60797/IRJ.2024.149.104.1

Ежегодные объемы энергии, поступающие в геосферу от использования всех ископаемых топлив (уголь, нефть, природный газ, уран и пр.) составляющие 160 ТВт*ч пока ещё существенно меньше энергии, поступающей на поверхность Земли от Солнца– 700000 ТВт*ч

[5]

,

[6]

.

В то же время современные масштабы извлечения и использования энергоносителей при достигнутом технологическом уровне их использования (термодинамические циклы Ренкина, Брайтона, Отто и Дизеля) приводят к изменению температурного режима планеты вследствие прямого сброса в геосферу огромных потоков тепловой энергии низкого потенциала, а также эмиссией в атмосферу 3-х атомных газов, нарушающих радиационный теплообмен поверхности планеты и окружающего космического пространства – создающих парниковый эффект.

В настоящее время при рассмотрении проблемы влияния энергетики на изменение климата международное сообщество считает основным фактором, определяющим парниковый эффект и, как следствие, повышение температуры геосферы планеты – техногенное повышение содержания в атмосфере углекислого газа. В то же время хорошо известно, что главным парниковым газом, обеспечивающим температурную стабильность планеты, являются присутствующие в составе атмосферы пары воды.

Целью работы является расширенное рассмотрение всех основных источников поступления газовых продуктов, сопровождающих энергетическое производство, для выбора перспективных технологических решений, препятствующих дальнейшему усилению парникового эффекта и изменению климата.

Аббревиатуры в статье:

КЭС – Конденсационные электростанции.

АЭС с ВВЭР – Атомная электростанция с водо-водяным энергетическим реактором.

АЭС с РБН – Атомная электростанция с реактором на быстрых нейтронах.

АЭС с ВТГР – Атомная электростанция с высокотемпературным газоохлаждаемым реактором.

ТЭС – Тепловая электростанция.

ПГУ – Парогазовая установка.

ТЭС УСКЭС – Тепловая электростанция с ультра-сверхкритическими параметрами пара.

Процесс получения электрической и тепловой энергии из органических топлив базируется на окислении углерода и химически связанного водорода в органических топливах с образованием значительных количеств двуокиси углерода (СО2), паров воды(Н2О) и двуокиси азота (NO2)

Международное научное сообщество и правительственные организации стран мира, опасаясь серьезных климатических изменений, связанных с использованием ископаемых топлив, провели ряд экологических конференций Рио-де-Жанейро 1992 г., Киото 1997 г, Париж 2015 г. и др., где был разработан политический и экономический механизм стимулирования защиты климата планеты

Реально существуют 4 потока тепловой энергии и парниковых газов в геосферу, имеющих практически равное отрицательное значение:

· прямой сброс теплоты от сгорания топлив в геосферу в существующих технологиях производства и потребления энергии – прямой подогрев геосферы,

· пар воды, вследствие испарительного охлаждения паровых конденсаторов конденсационных электростанций (ТЭС – косвенный подогрев (вследствие нарушения радиационного баланса Земли и Космоса)),

· углекислый газ, образующаяся при сжигании углеводородных топлив (КЭС) – косвенный подогрев (вследствие нарушения радиационного баланса Земли и Космоса),

· пар воды, образующийся при сжигании углеводородных топлив (КЭС) – косвенный подогрев (вследствие нарушения радиационного баланса Земли и Космоса).

Схема, образующихся потоков парниковых газов ТЭС и АЭС приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Потоки эмиссии парниковых газов электростанцией

DOI:10.60797/IRJ.2024.149.104.3

Наибольшее распространение в современной энергетике получили конденсационные электростанции с системами охлаждения конденсаторов паровых турбин с испарительными градирнями и прудами- охладителями. В этих системах конденсация пара и отвод тепла в окружающую среду осуществляется, в основном, за счет эффекта испарения жидкости в объеме градирен или с поверхности прудов охладителей. На рисунке 3 приведена фотография типичной конденсационной ЭС с градирней.

Рисунок 3 - Современная конденсационная электростанция

DOI:10.60797/IRJ.2024.149.104.4

Пусть Ne – электрическая мощность КЭС, МВт.

Подводимая тепловая мощность Q1 = Ne/h, МВт, гдеh-коэффициент полезного действия (КПД) КЭС. Значения достигнутых уровней КПД для современных технологий производства электрической энергии ТЭС и АЭС различного типа приведены в таблице 2.

Мощность, отводимая в системе охлаждения конденсаторов Q2 = Q1–Ne, МВт. Испарительное охлаждение конденсаторов Gw = Q2/r, кг/с, где r – скрытая теплота парообразования воды 2450, кДж/кг

Масса испарившейся воды за год

где Тгод =8000 час – время работы ТЭС в году.

Производство электрической энергии ТЭС

Удельный выход воды: b= Мв/Эгод. Результаты расчетов по изложенной методике приведены в таблице 3.

3.1. Пример расчета удельного выхода паров воды при испарительном охлаждении конденсатора ТЭС, работающей на природном газе, h =45%.

Электрическая мощность ТЭС Ne =1000, МВт.

Подводимая тепловая мощность Q1 = Ne/ h = 1000/0,45=2222,МВт

Время работы ЭС в году Тгод =8∙103, час/год.

Удельный расход топлива (см. табл.4):

Потребление топлива:

Годовое производство электрической энергии ЭС

Мощность, отводимая в системе охлаждения конденсаторов

Масса воды, испарившейся в системе охлаждения конденсатора ЭС

Масса воды, испарившейся в системе охлаждения конденсатора ЭС за год

Удельный выход воды

Анализ таблицы 3 показывает, что наибольшее образование паров воды происходит на ЭС, работающей на мазуте. Наименьшее на ЭС с ультра-сверхкритическими параметрами пара (УСКЭС), АЭС с ВТГР и БР, а также ПГУ.

Электрическая мощность ЭС Ne, МВт.

Подводимая тепловая мощность Q1 = Ne/h, МВт, гдеh-коэффициент полезного действия (КПД) ЭС.

Теплота сгорания топлива Qрн ,МДж/кг.

Расход топлива

Время работы ЭС в году Тгод =8∙103, час/год.

Годовой расход топлива

Годовое производство электрической энергии ЭС

Удельный расход топлива

Удельный выход паров воды при сжигании топлива g, кг/МДж

Энергия топлива

Образование паров воды от сгорания топлива

Удельный выход паров воды

Результаты расчетов по данной методике для различных типов ТЭС и АЭС приведены в таблице 4.

4.1. Пример расчета удельного выхода паров воды при сгорании топлива ТЭС, работающей на природном газе, h =45%

Электрическая мощность КЭС Ne =1000, МВт.

Подводимая тепловая мощность Q1 = Ne/ h = 1000/0,45=2222,МВт

Время работы ЭС в году Тгод =8∙103, час/год.

Теплота сгорания топлива Qрн= 40, МДж/кг.

Расход топлива

Время работы ЭС в году Тгод =8∙103, час/год.

Годовой расход топлива

Годовое производство электрической энергии ЭС

Удельный расход топлива

Удельный выход паров воды при сжигании топлива g=0,046, кг/МДж

Энергия топлива

Образование паров воды от сгорания топлива

Удельный выход паров воды

Удельный выход воды

Анализ таблицы 4 показывает, что наибольшее образование паров воды происходит на ЭС, работающей на природном газе. Наименьшее на ТЭС с ультра-сверхкритическими параметрами пара (УСКЭС), АЭС всех типов, а также ТЭС, работающих на угле.

В таблице 5 и рисунке 4 приведены данные по удельному образованию парниковых газов и паров воды при выработке электрической энергии на ЭС разных типов.

Рисунок 4 - Удельные массы образования СО2 и паров воды

DOI:10.60797/IRJ.2024.149.104.9

Суммарное влияние на парниковый эффект паров воды и диоксида углерода, поступающих в атмосферу по всем каналам возможного образования при выработке электрической энергии может быть оценено по следующему соотношению:

где КСО2= 1экв.СО2/кВт∙ч, К Н2О=5экв.СО2/кВт∙ч (см. табл.1),

bсо2 – удельный выход диоксида углерода при сгорании топлива,кг/кВт∙ч,

bтопл – удельный выход паров воды при сгорании топлива,кг/кВт∙ч,

bисп – удельный выход паров воды при испарительном охлаждении конденсаторов ЭС,кг/кВт∙ч,

В таблице 6 и на рисунке 5 приведены данные расчетов суммарноговлияния на парниковый эффект паров воды и диоксида углерода и значения коэффициента сравнения с данными для АЭС типа ВВЭР.

Рисунок 5 - Коэффициент воздействия на геосферу по сравнению с АЭС типа ВВЭР

DOI:10.60797/IRJ.2024.149.104.11

5.1. Пример расчета суммарного влияния на парниковый эффект паров воды и диоксида углерода ЭС, работающей на природном газе

Коэффициента сравнительного воздействия на геосферу по сравнению с АЭС ВВЭР

Анализ таблицы 6 показывает, что самое малое воздействия на геосферу оказывают АЭС с ВТГР и ТЭС с ультра-сверхкритическими параметрами генерируемого острого пара.

Установлено, что наиболее сильное воздействие на геосферу оказывают ТЭС и транспортные ДВС на жидком углеводородном топливе. ТЭС, использующие угольное топливо (не имеющего в своем составе водорода) эмитируют при сгорании меньшее количество водяного пара и сохраняют по условиям парникового эффекта конкурентоспособность с современными АЭС с реакторами на тепловых нейтронах. Большие перспективы имеют ТЭС с ультра-сверхкритическими параметрами генерируемого острого пара, работающим на угольном топливе и АЭС типа БН и ВТГР.

Очевидным также становится, например необходимость внедрения сухих градирен

Показано, что для электростанций, использующих угольное топливо, основным антропогенным продуктом сгорания является углекислый газ. Для электростанций, использующих углеводородные топлива (газ, мазут) – углекислый газ и пары воды. Для атомных электростанций – только пары воды.

Предложен новый параметр, учитывающий совместное воздействие всех потоков парниковых газов для разных типов электростанций и видов топлива на развитие парникового эффекта в геосфере.

Основные пути снижения эмиссии парниковых газов в атмосферу Земли – повышение коэффициента полезного действия всех типов электростанций путем увеличения параметров пара. Лидирующие на сегодняшний день технологии снижения эмиссии парниковых газов – ТЭС с ультра-сверхкритическими параметрами пара на угольном топливе, АЭС с реакторами на быстрых нейтронах.

Перспективными технологиями являются АЭС с высокотемпературным и жидкометаллическими и газоохлаждаемыми реакторами и комбинированные атомно-тепловые электростанции.