TO THE PROBLEM OF GREENHOUSE GAS EMISSIONS BY ELECTRIC POWER INDUSTRY FACILITIES

Research article
DOI:
https://doi.org/10.60797/IRJ.2024.149.104
Issue: № 11 (149), 2024
Submitted :
17.08.2024
Accepted:
13.11.2024
Published:
18.11.2024
69
1
XML
PDF

Abstract

At present, when addressing the problem of energy's impact on climate change, the international community regards the anthropogenic increase of carbon dioxide in the atmosphere as the main factor determining the greenhouse effect and, as a consequence, the increase in the temperature of the planet's geosphere. At the same time, it is well known that the main greenhouse gas that ensures the temperature stability of the planet is water vapour present in the atmosphere. In this paper, an attempt is made to take into account the additional enhancement of the greenhouse effect by taking into account water vapours entering the atmosphere due to energy production at power plants of different types using different fuels (gas, coal, fuel oil, uranium). The aim of the work is to expand the discussion of all major sources of gaseous products accompanying energy production in order to select promising technological solutions to prevent further intensification of the greenhouse effect and climate change. Three main streams of greenhouse gases entering the Earth's atmosphere are reviewed:

– water vapour evaporating in the cooling system of power plant condensers;

– water vapour generated by combustion of hydrocarbon fuels;

– carbon dioxide generated by combustion of hydrocarbon fuels.

The results of calculations of water vapour formation at evaporative cooling of condensers for nuclear power plants, thermal power plants (TPP) operating on natural gas, coal and fuel oil (including ultra-supercritical steam parameters), combined cycle gas turbine plants are given. It is demonstrated that for power plants using coal fuel, the main anthropogenic combustion product is carbon dioxide. For power plants using hydrocarbon fuels (gas, fuel oil) – carbon dioxide and water vapour. For nuclear power plants - only water vapour. A new parameter that takes into account the joint impact of all greenhouse gas fluxes for different types of power plants and fuels on the development of the greenhouse effect in the geosphere is proposed. The ways to reduce greenhouse gas emissions into the Earth's atmosphere are shown – increasing the efficiency factor of all types of power plants by increasing vapour parameters.

1. Введение

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

. Несмотря на развитие новых возобновляемых источников энергии, доля традиционных технологий в структуре энергетики превышает 90%, а в транспорте 99,9%
,
.

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
.
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)

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)

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
,
.

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.

2. Парниковый эффект и энергетика

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)

,
,
,
. Выполненные в последние десятилетия исследования показывают, что все эти газы создают или способствуют усилению парникового эффекта. Принимая за эталон коэффициент радиационного теплообмена для СО2, можно выразить степень опасности других газов в виде парникового «эквивалента СО2». Данные такого анализа приведены в таблице 1
.

Таблица 1 - Парниковый эквивалент СО2 для ряда газов

Газ

Парниковый «эквивалент СО2», т/т СО2

СО2

1

Водяной пар

5

Метан

21

NO2

310

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

. Однако в принятых документах признан опасным лишь один газ – углекислый (СО2).

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.
Потоки эмиссии парниковых газов электростанцией

Рисунок 2 - Потоки эмиссии парниковых газов электростанцией

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.
Современная конденсационная электростанция

Рисунок 3 - Современная конденсационная электростанция

3. Методика расчета образования паров воды при испарительном охлаждении конденсаторов паровых турбин

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.

Таблица 2 - Достигнутые уровни КПД для современных технологий производства электрической энергии

Тип КЭС

КПД, %

АЭС с ВВЭР

35

АЭС с РБН

40

АЭС с ВТГР

50

Тепловая ЭС

35-45

Комбинированная парогазовая ЭС (ПГУ)

45-50

Тепловая ЭС с ультра-сверхкритическими параметрами пара (УСКЭС)

55

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

img

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

Производство электрической энергии ТЭС

img

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

Таблица 3 - Образование паров воды при испарительном охлаждении конденсаторов

Тип ЭС

КПД, %

Ne, МВт

Q1, МВт

Q2, МВт

Gw, кг/с

Мв,т/год

b, кг/кВтч

АЭС ВВЭР

35

1000

2857

1857

758

21830400

2,73

АЭС РБН

40

1000

2500

1500

612

17625600

2,2

АЭС ВТГР

50

1000

2000

1000

408

11750400

1,47

ТЭС- газ

45

1000

2222

1222

500

14400000

1,8

ТЭС- уголь

40

1000

2500

1500

612

17625600

2,2

ТЭС- мазут

35

1000

2857

1857

758

21830400

2,7

ПГУ- газ

50

1000

2000

1000

408

11750400

1,47

УСКЭС

55

1000

1818

818

330

9504000

1,19

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 =8103, час/год.

Удельный расход топлива (см. табл.4):

img

Потребление топлива:

img

Годовое производство электрической энергии ЭС

img

Мощность, отводимая в системе охлаждения конденсаторов

img

Масса воды, испарившейся в системе охлаждения конденсатора ЭС

img

Масса воды, испарившейся в системе охлаждения конденсатора ЭС за год

img

Удельный выход воды

img

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.

4. Методика расчета удельного выхода водяного пара в атмосферу Земли при сжигании органических топлив

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

img

Время работы ЭС в году Тгод =8103, час/год.

Годовой расход топлива

img

Годовое производство электрической энергии ЭС

img

Удельный расход топлива

img

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

.

Энергия топлива

img

Образование паров воды от сгорания топлива

img

Удельный выход паров воды

img

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

Таблица 4 - Образование паров воды при сжигании топлива

Тип ЭС

Q1, МВт

Теплота сгорания, МДж/кг

Удельный расход топлива, кг/кВтч

Потребление органического топлива,т/год

Пары воды, т/год

Удельный выход паров воды, кг/кВтч

Ne/h,

Qрн

q1

Вт

Мв

g пар

АЭС

2857

0

0

0

0

0

АЭС РБН

2500

0

0

0

0

0

АЭС ВТГР

2000

0

0

0

0

0

ТЭС- газ

2222

40

0,225

7,1106

13106

0,81

ТЭС- уголь

2500

30

0,45

9106

0

0

ТЭС- мазут

2857

50

0,25

5,7106

9,7106

1,2

ПГУ-газ

2000

40

0,2

4,8106

5,9106

1,47

УСКЭС-газ

1818

40

0,25

3,6106

6,7106

0,83

УСКЭС-уголь

1818

30

0,33

4,8106

0

0

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 =8103, час/год.

Теплота сгорания топлива Qрн= 40, МДж/кг.

Расход топлива

img

Время работы ЭС в году Тгод =8103, час/год.

Годовой расход топлива

img

Годовое производство электрической энергии ЭС

img

Удельный расход топлива

img

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

.

Энергия топлива

img

Образование паров воды от сгорания топлива

img

Удельный выход паров воды

img

Удельный выход воды

img

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.

5. Общий выход паров воды и диоксида углерода (парниковых газов) от электростанций разных типов

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

Таблица 5 - Удельное образование парниковых газов и паров воды при выработке электрической энергии на ЭС разных типов

Тип ЭС

bсо2, кг/кВтч

bтопл, кг/кВтч

bиспар,кг/кВтч

АЭС ВВЭР

0

0

2,73

АЭС РБН

0

0

2,2

АЭС ВТГР

0

0

1,47

ТЭС- уголь

0,6

0

2,2

ТЭС- газ

0,5

0,81

1,8

ТЭС- мазут

0,4

1,2

1,8

ПГУ-газ

0,3

0,74

1,5

УСКЭС-газ

0,25

0,83

1,2

УСКЭС-уголь

0,6

0

1,2

Удельные массы образования СО2 и паров воды

Рисунок 4 - Удельные массы образования СО2 и паров воды

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:

img

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

bсо2 – удельный выход диоксида углерода при сгорании топлива,кг/кВтч,

bтопл – удельный выход паров воды при сгорании топлива,кг/кВтч,

bисп – удельный выход паров воды при испарительном охлаждении конденсаторов ЭС,кг/кВтч,

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.

Таблица 6 - Результаты расчетов суммарноговлияния на парниковый эффект паров воды и диоксида углерода коэффициента сравнительного воздействия на геосферу по сравнению с АЭС ВВЭР

Тип ЭС

Псум, кг экв. СО2/кВтч

К = Псуммаэс ВВЭР

АЭС ВВЭР

13,65

1

АЭС РБН

11

0,8

АЭС ВТГР

7,65

0,56

ТЭС- уголь

11,6

0,85

ТЭС- газ

13,59

0,99

ТЭС- мазут

15,4

1,13

ПГУ-газ

11,5

0,84

УСКЭС-газ

10,4

0,76

УСКЭС-уголь

6,6

0,48

Коэффициент воздействия на геосферу по сравнению с АЭС типа ВВЭР

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

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

img

Коэффициента сравнительного воздействия на геосферу по сравнению с АЭС ВВЭР

img

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

,
,
,
, ультра-сверхкритических параметров пара на ТЭС для повышения КПД
,
,
,
, создания АЭС с высокими температурными характеристиками активных зон
,
,
,
, разработка комбинированных атомно-тепловых электростанций
,
,
.

6. Заключение

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.

Article metrics

Views:69
Downloads:1
Views
Total:
Views:69