На протяжении нескольких последних десятилетий теплоэнергетике в нашей стране не уделялось должного внимания. Эффективность использования топлива практически во всех теплоэнергетических установках значительно ниже, чем на Западе. Так, КПД энергоблоков, производящих электроэнергию, на 7 — 10% ниже, чем в США или Германии. Потери энергии топлива в газовых турбинах, двигателях внутреннего сгорания на 5—13% выше, чем у зарубежных. Тепловые потери у наших промышленных печей в 1,5—2 раза больше, чем у западных. Но не только отсутствие должного внимания привело украинскую теплоэнергетику в столь плачевное состояние. Много лет цены на топливо были искусственно занижены. В бывшем Советском Союзе практически отсутствовали какие-либо экономические стимулы для экономии топлива. Можно даже сказать, что экономического фактора в развитии теплоэнергетики реально не существовало.
ГДЕ ПАРАДОКС СИДИТ НА ПАРАДОКСЕ
Теперь в нашей стране другая обстановка. Цены на топливо по сравнению с теми, которые были в СССР, стали в несколько раз выше. Своего топлива не хватает, и большую часть его приходится закупать за валюту за рубежом. Топливная составляющая себестоимости практически всех товаров, производимых в Украине, выросла почти в три-четыре раза, на 30 — 70% упал их экспортный потенциал. Казалось бы, такая ситуация должна вызвать мощный импульс для быстрого внедрения новых энергосберегающих технологий в народное хозяйство. Однако сегодня, как и до скачка цен на топливо, эффективность производства электроэнергии и теплоты пока остается на прежнем уровне: КПД тепловых электростанций низкие — 35—39% (у угольных и того меньше), 60— 80% энергии топлива промышленные печи бесполезно выбрасывают в атмосферу, энергия большинства органических отходов промышленности и сельского хозяйства практически не используется и т.д.
В результате в Украине сложилась парадоксальная ситуация. С одной стороны, значительный рост цен на топливо, низкая эффективность его использования создали мощный экономический стимул для внедрения новых энергосберегающих технологий в практику. С другой — в ряде институтов накопилось много новых разработок, внедрение которых могло бы существенно сократить потребление топлива в Украине. Но, как и прежде, большинство из них остаются невостребованными.
Невооруженным взглядом видно: действие экономического стимула искусственно блокируется. Этому, главным образом, способствует то, что в условиях крайне ограниченных финансовых ресурсов в правовом поле Украины господствует субъективный фактор. Сегодня свободный рынок новых разработок в стране отсутствует. Он, по сути дела, подменен своеобразным механизмом силового проталкивания каких-либо разработок преимущественно при помощи административно-командной системы. Иначе нельзя объяснить тот факт, что еще и сегодня основные финансовые потоки обходят стороной главные источники потерь топлива в Украине. Из его общего потребляемого количества 70% идет на такое производство теплоты в промышленных и коммунальных котельнях, при котором вырабатывать дополнительную электроэнергию нет никакой возможности.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В ОПАСНОСТИ
Дальнейшее искусственное игнорирование экономических стимулов развития теплоэнергетики может серьезно подорвать энергетическую безопасность Украины. Нужна иная государственная энергетическая политика, которая позволила бы закрепить новые правила игры на рынке научно- технических разработок.
Главным приоритетом в новой государственной энергетической политике на данном этапе должны стать проблемы теплоэнергетики. Именно здесь (и об этом не следует забывать) лежат основные финансовые ресурсы, которые могут быть высвобождены за счет повышения эффективности использования топлива. Назовем некоторые из них.
1. Сегодня теплоэнергетические установки Украины потребляют в год угля, мазута и природного газа такое количество, которое эквивалентно 162 млн. т у. т. Это наносит Украине колоссальный финансовый ущерб, поскольку топливо нам приходится приобретать по международным ценам. Полезной же энергии мы получаем в 1,2 — 2 раза меньше, чем на Западе. Если бы удалось хотя бы на 1% повысить эффективность использования топлива украинскими теплоэнергетическими установками, то потери можно было бы сократить на 100 млн. долларов США.
2. Если сравнивать удельное потребление энергии на единицу производственной продукции, то оказывается, что в Украине оно в 3 — 4 раза выше, чем на подобных предприятиях в Западной Европе. Такая большая разница в энергозатратах свидетельствует не только о низкой эффективности украинской теплоэнергетики, но еще и о наличии здесь больших резервов для экономии топлива.
3. Сегодня наши ТЭЦ по эффективности использования топлива намного уступают западным. Эти электростанции наносят большой экономический и экологический ущерб: им приходится работать на низкосортных углях, зольность которых превышает 35%, расходовать на подсветку много мазута или природного газа. Если бы данную проблему можно было решить за счет использования дешевой и быстрореализуемой технологии сжигания низкосортных углей, то для Украины открылись бы большие дополнительные финансовые ресурсы.
4. Практически не используются органические отходы промышленного и сельскохозяйственного производств (солома, древесные опилки, щепа, бытовой мусор, подсолнечная лузга и т. д.). Применение их в теплоэнергетических установках дало бы возможность существенно сократить потребление таких дорогих видов топлива, как уголь, мазут или природный газ. Ежегодно в Украине образуется около 40 млн. т древесных отходов. Если их задействовать, то можно сократить покупку природного газа на 15—30 млрд. куб. м в год. Практически не используются топливные ресурсы типа торфа. А их запасы сегодня оцениваются в 2,2 млрд. т у. т. Мало энергии добывается из местных бурых углей, например александрийских, коростышевских и т.д.
5. В настоящее время в Украине имеется большое число пробуренных скважин. Добыча теплоты из них помогла бы сохранить 12,6 млн. т у. т. Между тем, и такой большой резерв экономии топлива практически не задействован.
6. Сегодня эффективность большей части отечественных сушил находится на уровне 25—35%. Если же иметь в виду, что нынче 8% всей добываемой в мире энергии идет на сушку, то легко представить, какие большие резервы экономии топлива имеет эта отрасль.
ДЕШЕВО И БЫСТРО — НЕ ОБЯЗАТЕЛЬНО ПЛОХО
Понятно, что ресурсы, упомянутые в приведенном перечне, не лежат на поверхности. Их добыча сопряжена со значительными трудностями научного, технического, экономического и организационного характера. Сейчас, учитывая скудные финансовые возможности Украины, следует отказаться от бытующего еще со времен Советского Союза метода «навала», суть которого состоит в том, что с любой проблемой можно справиться, если на нее навалиться всем миром. Сегодня теплоэнергетические задачи нужно решать не числом, а умением. Не взирая ни на какие обстоятельства, приоритет должен быть отдан наиболее дешевым и быстрореализуемым научно- техническим методам.
Институт технической теплофизики НАН Украины последние годы занимался главным образом разработкой наиболее дешевых и быстровнедряемых технологий. Вот некоторые из них.
Величина энергозатрат во многом определяется тем, каким образом осуществляется подвод энергии в ту или иную технологию. При обычном подводе, как правило, большая часть энергии бесполезно рассеивается в окружающую среду. Для уменьшения этих потерь был предложен новый метод. Суть его заключается в трансформации энергии, вводимой в гетерогенную дисперсную среду, не во всем объеме аппарата, а на границе раздела фаз и в импульсном режиме. Сегодня этот широко используемый метод получил название ДИВЭ. Его применение на 1—2 порядка уменьшает энергозатраты. В настоящее время на основе ДИВЭ создано 26 технологий в 10 различных отраслях, позволяющих экономить 92,5 тыс. т у. т. в год.
Современные тепловые электростанции, газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания и другие теплоэнергетические установки потребляют огромное количество топлива только для того, чтобы покрыть большие потери, возникающие в процессе горения. О чем идет речь? Сегодня электроэнергию из топлива можно получить либо при помощи топливного элемента, либо — тепловой машины. Но у последней «топливный аппетит» на 20—25% выше. В тепловой машине на одно преобразование энергии больше, чем при использовании топливного элемента (речь идет о процессе горения). А поскольку почти у всех теплоэнергетических установок процесс преобразования энергии топлива в теплоту не идеальный и сопровождается потерями, исчисляемыми многими миллиардами тонн условного топлива. На их покрытие как раз и расходуется дополнительное количество топлива. Сегодня Институт технической теплофизики НАН Украины — единственная в мире организация, владеющая новым термохимическим методом повышения КПД теплоэнергетических установок за счет уменьшения потерь при горении. Разработано несколько вариантов его практического использования в ПГУ, ПСУ, ГТУ, ДВС, а также в промышленных печах. Один из них был реализован на нагревательной печи. Это позволило вдвое сократить расход природного газа и достигнуть рекордного коэффициента использования топлива 92—93%.
И САМИ С УСАМИ
На Западе давно поняли выгоду автономной комбинированной системы производства электроэнергии и теплоты. У нас же не осознали еще и того, что широкое использование такой системы является чуть ли не единственным эффективным путем выхода Украины из энергетического кризиса. Однако это сопряжено со значительными финансовыми трудностями. Будь мы богаты, проблем не было бы. Просто купили бы на Западе соответствующее количество таких установок и смонтировали их на наших предприятиях. Но только одна комбинированная система фирмы МАН мощностью 1000 кВт стоит 1 млн. долл. США. Институт технической теплофизики НАН Украины предложил свой путь решения данной проблемы. Суть его в следующем. Используя существующую тепловую инфраструктуру на наших предприятиях или объектах коммунального хозяйства, создать такую комбинированную систему, которая по эффективности не уступала бы западным, а по стоимости была бы значительно ниже. Сделать это можно, пристраивая газовые турбины или газомоторы к существующим промышленным и коммунальным котлам или промышленным печам. Подобное позволит уменьшить финансовые затраты на 30—40%. Сейчас у института имеется много разработок по привязке различных энергоустановок к различным типам котельного оборудования. В 1998 году впервые в Украине одна из таких схем была реализована на Шрамковском сахарном заводе. Стыковка дизель-электрогенератора мощностью 500 кВт с котлом ДКВР-10/13 позволила сократить расход мазута на 7—13% и в 3—4 раза уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу.
В теплоэнергетике скрыты главные резервы повышения КПД тепловых электростанций. Рассмотрим в этой связи только два вопроса. Как повысить КПД ТЭЦ, работающих на природном газе, за счет совершенствования термодинамических процессов? И как увеличить КПД ТЭЦ за счет повышения эффективности сжигания низкосортных углей?
В первом случае 5—9-процентного повышения КПД можно достичь, надстраивая отечественные газотурбинные установки к существующим энергоблокам. Этот путь не нов. Новое здесь только то, что газовая турбина в нашем случае работает на продуктах неполного горения. Тогда надстройка может быть осуществлена практически без реконструкции энергоблока. Подсчеты показывают: наращивание электрических мощностей, таким образом, по сравнению, скажем, со строительством новых ПГУ значительно дешевле.
Второй вопрос связан главным образом с ухудшающимися горно-геологическими условиями добычи угля в Донбассе. На электростанциях возникли значительные трудности, участились аварийные остановки котлов, возрос расход мазута или природного газа на подсветку, увеличился недожог. Богатые страны, такие, как США, Германия и др., решают эту проблему при помощи кипящего слоя. Для Украины подобный вариант сегодня не подходит.
УГОЛЬ МОЖНО СЖИГАТЬ ПО-РАЗНОМУ
И все же проблему сжигания низкосортного угля нужно решать. Но как? Она имеет два аспекта: экономический и технический. В первом случае можно воспользоваться «польским способом».
В Польше одним из первых шагов перехода от социализма к капитализму был перевод отношений между производителями и потребителями угля на рыночную основу. Электростанции стали платить не за количество «черного золота», а за количество энергии, которое поступает с ним. В цене нашли отражение и другие показатели, характеризующие качество угля, — зольность и летучие. Такие экономические рычаги заставили усовершенствовать технологию добычи, изменить производственные отношения и т. д. Это позволило повысить качество угля, и проблема сжигания его низкосортных видов в Польше практически исчезла.
Во втором случае нам поможет только лишь какая-либо малозатратная технология. Одну из них разработал Институт технической теплофизики НАН Украины. При ее помощи можно модернизировать большую часть существующих котлов путем пристройки предтопка для внетопочной термохимической переработки угля. Один из вариантов такой технологии использован для энергоэффективного факельного сжигания подсолнечной лузги на Полтавском маслоэкстракционном заводе. По эффективности сжигания низкосортного угля внетопочная термохимическая переработка практически не отличается от сжигания в кипящем слое, но по финансовым затратам отличие значительное. На предложенное Институтом технической теплофизики НАН Украины осуществление модернизации котлоагрегатов потребуется денег на несколько порядков меньше и то только в национальной валюте. Сегодня в этом направлении выполнен большой объем работ по термохимической переработке антрацитовых штыбов в научно-техническом центре угольных энерготехнологий НАН Украины и Минэнерго. Если бы удалось объединить усилия нашего института, этого центра и Минэнерго, то можно было бы трудную проблему решить в течение двух- трех лет.
ОТХОДЫ — В ДЕЛО
Остановимся еще на одном энергетическом «поле», которое сегодня еще остается целинным. Не считая отдельных случаев использования дров, опилок, соломы, торфа и т. д. для бытовых нужд, эффективного энергетического использования различных промышленных и сельскохозяйственных органических отходов практически нет. Нет специальной топочной техники, нет газификаторов, нет специальных энерготехнологических устройств, позволяющих извлекать максимум энергии из этих, так сказать, неквалифицированных видов топлив. А на Западе сжигание таких отходов дает электроэнергию либо теплоту. Например, в Дании 20% энергии центрального теплоснабжения образуется за счет горючих материалов местных не ископаемых топлив. Понятно, что такое отношение к отходам не могло появиться само собой. Начиная с 1973 года большая часть западных государств разработала специальную стратегию развития энергетики. Одним из важных аспектов последней было то, что регионам дали право развивать энергетику в пределах своей компетенции. В результате проведения такой политики в жизнь оказалось, что фермеру выгодно везти солому на электростанцию, выгодно сортировать мусор, получая при этом ценное сырье и дармовую энергию и т. д.
У нас подобная политика в области энергетики отсутствует. Энергетический потенциал таких топлив, как дрова, торф, мусор, местные угли и т. д., практически не востребован. А как он может быть задействован? Ведь сегодня еще выгодно просто побольше открыть кран на трубопроводе природного газа или мазута. При этом не нужно возить дрова из леса, реконструировать топочную технику и т. д. Вместе с тем при квалифицированном использовании, например, дров можно не только значительно уменьшить импорт природного газа, но и получить значительную экономию. Подсчеты института показали: при преобразовании 1 куб. м древесной щепы в специальном газификаторе можно получить количество газа, эквивалентное по теплоте 35 куб. м природного и 15 кг моторного топлива, в виде углеродных брикетов и заработать при этом 30—50 тыс. долларов в год.
Энергетическая политика в нашей стране должна строиться еще и так, чтобы нельзя было пройти мимо того обстоятельства, когда энергия в буквальном смысле слова валяется под ногами, а ее никто не хочет поднять. Речь идет о тепле земли, поступающем с горячей водой из готовых скважин. Здесь на вооружении Института технической теплофизики НАН Украины имеется все, чтобы эту энергию использовать полезно.
Теперь о сушке. В институте создана своя технология. В основе ее лежит новый метод, позволяющий управлять диффузией влаги. Благодаря ему эффективность сушки повышается в 2—3 раза. При этом качество материала соответствует мировым стандартам. Однако данная технология не нашла пока в Украине широкого внедрения. Еще много сушил работают с весьма низким коэффициентом использования топлива. Здесь также экономический стимул пока бездействует.
* * *
В результате ошибочной энергетической политики, которая проводилась в Советском Союзе, развитие топливной энергетики остановилось, по сути дела, в 60-х годах. А поскольку в Украине в то время были сосредоточены большие теплоэнергетические объекты в различных отраслях народного хозяйства, то при распаде Союза нам досталась в наследство отсталая теплоэнергетика. В результате мы не имеем современных котлов, способных сжигать низкосортные угли, дрова, торф и т. д. Нет у нас высокоэффективных паровых, газовых турбин, парогазовых установок, газификаторов для получения газа из углей, дров, торфа и т. д. Разрыв в развитии теплоэнергетики Украины и Запада сегодня составляет 30—40 лет, преодолеть которые в обозримое время вряд ли удастся.
Несмотря на большое отставание в развитии украинской теплоэнергетики от западной его все же возможно значительно сократить в ближайшие 2—3 года. Для этого необходимо создать новую стратегию развития теплоэнергетики Украины (напомним, инвестиции в энергосбережение в два—три раза эффективнее, чем в добычу). Потом провести ее всенародное обсуждение и утвердить в Верховной Раде. На основании упомянутой стратегии подготовить конкретную программу выхода теплоэнергетики из кризиса, учитывающую региональные особенности всех областей и районов страны. При этом ее выполнение должно проходить прозрачно для общественности с расшифровкой того, куда и на какие цели пошли те или иные деньги.
Сегодня научные работы в области теплоэнергетики ведутся разрозненно, имеет место дублирование, некоторые из них неактуальны. Нередки случаи распыления средств по мелким темам. Не ведется координация работ. Устранить некоторые из вышеперечисленных недостатков можно было бы, восстановив функции головных организаций ведущим научным учреждениям НАН Украины.