Ieși din cărbune. Centrale pe cărbune, ugk Avantajele centralelor pe cărbune

Ce este o centrală electrică pe cărbune? Aceasta este o întreprindere de producție de energie electrică în care cărbunele (dur, maro) este primul în lanțul de conversie a energiei.

Să ne amintim lanțul de conversie a energiei la centralele electrice care funcționează pe ciclu.

Primul din lanț este combustibilul, în cazul nostru cărbunele. Are energie chimică, care, atunci când este arsă într-un cazan, este transformată în energie termică a aburului. Energia termică poate fi numită și energie potențială. În continuare, energia potențială a aburului de la duze este convertită în energie cinetică. Vom numi viteza energiei cinetice. Această energie cinetică la ieșirea din duzele turbinei împinge paletele rotorului și rotește arborele turbinei. Aici se obține energia de rotație mecanică. Arborele turbinei noastre este cuplat rigid cu arborele generatorului electric. Într-un generator electric, energia mecanică de rotație este transformată în energie electrică - electricitate.

O centrală pe cărbune are atât avantaje, cât și dezavantaje în comparație, de exemplu, cu o centrală pe gaz (nu vom lua în considerare unitățile CCGT moderne).

Avantajele centralelor pe cărbune:

- cost redus de combustibil;

— independență comparativă față de aprovizionarea cu combustibil (există un depozit mare de cărbune);

- si asta e.

Dezavantajele centralelor pe cărbune:

- manevrabilitate redusa - datorita unei restrictii suplimentare privind eliberarea zgurii din, daca este cu indepartarea zgurii lichide;

— emisii mari în comparație cu emisiile de gaze;

- randament scazut in alimentarea cu energie electrica - aici se adauga pierderi in cazan si o crestere a necesarului electric propriu datorita sistemului de preparare pulverizat cu carbune;

- costurile mai mari decat la benzinarii se datoreaza faptului ca se adauga uzura abraziva si un numar mai mare de instalatii auxiliare.

Din această mică comparație, este clar că centralele pe cărbune sunt inferioare celor pe gaz. Dar totuși lumea nu abandonează construcția lor. Acest lucru se datorează în primul rând din punct de vedere economic.

Să luăm țara noastră de exemplu. Avem câteva locuri pe hartă în care se extrage cărbune în cantități mari. Cel mai faimos este Kuzbass (bazinul cărbunelui Kuznetsk), cunoscut și sub numele de regiunea Kemerovo. Acolo sunt destul de multe centrale electrice, cele mai mari - si pe langa ele mai sunt si cateva mai mici. Toate funcționează pe cărbune, cu excepția câtorva unități de alimentare unde gazul poate fi folosit ca combustibil de rezervă. În regiunea Kemerovo, un număr atât de mare de centrale electrice pe cărbune se datorează, desigur, faptului că cărbunele este extras „în apropiere”. Nu există practic nicio componentă de transport în prețul cărbunelui pentru centralele electrice. În plus, unii proprietari de centrale termice sunt și proprietari de întreprinderi cu cărbune. Pare clar de ce nu sunt construite benzinării acolo.

În plus, rezervele dovedite de cărbune sunt incomparabil mai mari decât rezervele dovedite de gaze naturale. Acest lucru se aplică deja pentru securitatea energetică a țării.

Țările dezvoltate au mers mai departe. Cărbunele este folosit pentru a face așa-numitul gaz sintetic, un analog artificial al gazului natural. Unele au fost deja adaptate la acest gaz și pot funcționa ca parte a unităților CCGT. Și aici există cu totul alte eficiențe (mai mari) și emisii nocive (mai mici) în comparație cu stațiile pe cărbune, și chiar cu cele vechi pe gaz.

Deci putem concluziona: omenirea va folosi întotdeauna cărbunele ca combustibil pentru a produce electricitate.

Gazul natural, ca combustibil pentru centralele electrice, este disponibil în aproape toate zonele industriale ale orașelor rusești. În 2010, nivelul de gazeificare în Rusia a fost în medie de 62%. În orașe, nivelul de gazeificare a crescut în ultimii ani cu 6%, la 67%. În mediul rural, nivelul de gazeificare a crescut cu 8% și se situează astăzi la 44%.

Construcția de termocentrale care funcționează pe gaz natural necesită investiții relativ mici - în comparație cu centralele care funcționează cu alte tipuri de combustibil, precum cărbune, uraniu și hidrogen.

Eficiența electrică a unei centrale moderne pe gaz ajunge la 55–60%, în timp ce cea a unei centrale pe cărbune este de doar 32–34%. În același timp, costurile de capital pentru 1 MW/oră de capacitate instalată a unei centrale termice pe gaz reprezintă doar 50% din o centrală pe cărbune, 20% dintr-o centrală nucleară și 15% dintr-o centrală eoliană.

Gazul este mai eficient din punct de vedere economic decât alte tipuri de combustibil și surse alternative de energie.

Construcția unei centrale pe gaz durează doar 14-18 luni. Construcția unei centrale electrice moderne pe cărbune va dura 54-58 de luni. Va dura cel puțin 56-60 de luni pentru a construi o centrală nucleară (NPP).

Gazul este soluția cea mai accesibilă și fezabilă din punct de vedere economic pentru producătorii și consumatorii de energie electrică care numără banii.

Surse alternative de energie sau centrale pe gaz – cine va câștiga în viitorul apropiat?

Este probabil ca într-o zi sursele alternative de energie să înlocuiască combustibilii fosili, dar acest lucru nu se va întâmpla prea curând. De exemplu, pentru ca energia eoliană să reprezinte 10% din consumul global de energie, sunt necesare între 1 milion și 1,5 milioane de turbine eoliene. Doar pentru a găzdui aceste turbine eoliene ar fi nevoie de o suprafață de 550.000 de metri pătrați. km. Aceasta este egală cu zona regiunii autonome Khanty-Mansiysk sau cea mai mare țară europeană - Franța.

Problema nu este doar spațiul: sursele alternative nu sunt cea mai bună soluție din punct de vedere al afacerilor. Sursele alternative de energie nu sunt încă viabile din punct de vedere economic. Cel mai rentabil tip de combustibil astăzi este gazul. Gazul vă permite să obțineți energie electrică mai ieftină în comparație cu energia alternativă.

Gaze și ecologie

Gazul este un combustibil semnificativ mai curat decât orice alt purtător de energie cu hidrocarburi. Când gazul este ars, emite mai puțin dioxid de carbon în comparație cu alte surse tradiționale, cum ar fi cărbunele. Acest lucru, în consecință, are un impact negativ mult mai mic asupra mediului. O centrală modernă pe gaz nu are practic emisii nocive în atmosferă și, în acest sens, emisiile sale sunt similare cu cele ale sobelor pe gaz convenționale. Concepția greșită a multor oameni este concepția greșită despre sursele alternative de energie care se presupune că sunt absolut curate. Centralele eoliene, geotermale și hidroelectrice provoacă, de asemenea, daune mediului, uneori destul de multe.

Pentru centralele termice, trecerea de la cărbune la gaz contribuie la o reducere drastică a emisiilor de dioxid de carbon în atmosferă. Gazul are o putere calorică mai mare decât cărbunele. Pentru a obține aceeași cantitate de energie, trebuie doar să ardeți mai mult cărbune. Centralele pe gaz sunt mai eficiente din punct de vedere al eficienței: cu aceeași cantitate de căldură degajată în timpul arderii, o centrală termică pe gaz produce mai multă energie electrică.

Ca urmare, înlocuirea energiei pe cărbune cu centrale termice pe gaz reduce emisiile de CO 2 cu 50–70%.

Gazul este un combustibil adecvat pentru mediu.

Rezerve de gaze – vor fi suficiente pentru copiii și nepoții noștri?

Puteți citi adesea că rezervele de gaze sunt epuizabile, dar acest lucru nu este adevărat. Va fi suficient gaz nu numai pentru viața noastră. Gazul nu se va epuiza pe durata vieții copiilor noștri sau a nepoților lor. Potrivit Agenției Internaționale pentru Energie, la ritmurile actuale de producție de gaze, rezervele deja descoperite din acest combustibil vor fi suficiente pentru 130 de ani de producție. Vorbim despre rezerve de gaz, a căror extragere este posibilă și rentabilă cu nivelul de tehnologie existent. Volumul rezervelor de gaze este estimat la 400 de trilioane. metri cubi

Rezervele recuperabile de gaz neconvențional (cum ar fi gazul etanș, gazul de șist și metanul din stratul de cărbune) se ridică la cel puțin încă 380 de trilioane. metri cubi Pe măsură ce tehnologia se dezvoltă, extragerea lor devine din ce în ce mai fezabilă. Astfel, rezervele de gaze deja descoperite vor dura aproximativ 250 de ani. În același timp, metodele de explorare sunt în mod constant îmbunătățite, ceea ce face posibilă creșterea rezervelor. Până în prezent, Statele Unite, cel mai mare consumator de energie din lume, au rezerve de gaz neconvențional pentru 100 de ani de acum înainte. Al doilea mare consumator, China, are, de asemenea, rezerve similare de gaze.

Gazul este o soluție la problema penuriei de energie în secolul XXI.

Studiind interogările de căutare Yandex, puteți descoperi caracteristici interesante ale difuzării informațiilor despre energie. Utilizatorii motoarelor de căutare trimit interogări pentru „surse de energie regenerabilă” și „vehicule electrice” de 5-12 ori mai des decât „energie pe bază de cărbune”. În viața reală, opusul este adevărat - centralele pe cărbune au generat de o ori și jumătate mai multă energie electrică în lume decât centralele pe gaz în 2017 și aproape la fel de mult decât toate celelalte luate împreună, inclusiv centralele nucleare, hidrocentralele și sursele regenerabile. surse de energie.

Într-adevăr, generarea de cărbune a rămas baza industriei globale a energiei electrice de la boom-ul industrial din Marea Britanie și Germania - s-a dezvoltat în mod tradițional acolo unde este necesar să se asigure o creștere economică rapidă „aici și acum” și acolo unde există propriul său ieftin și ieftin. cărbune termic accesibil. Astăzi, „aurul negru” solid este sursa dominantă de energie electrică în China, India și țările din Asia de Sud-Est.

Un alt lucru este de asemenea adevărat. În secolul al XX-lea, centralele pe cărbune funcționau mult mai liniștit decât acum. Oamenii devin din ce în ce mai sensibili la puritatea aerului, iar vechile centrale electrice pe cărbune, cu coșurile lor joase, sunt ideale pentru a fi principalii poluatori ai atmosferei. Aproape întotdeauna nu este cazul - fabricile și mașinile emit nu mai puțin, dar energia cărbunelui trebuie să devină mai curată și mai curată: instalați filtre scumpe, captați sulful în gips, restaurați azotul. Pe de altă parte, tot mai multe țări (deja peste 40 și 20 de entități subnaționale) sunt de acord cu necesitatea reducerii emisiilor de dioxid de carbon pentru a evita schimbările climatice globale, iar centralele pe cărbune sunt primele aflate sub presiune, deoarece emit mai mult CO 2 decât cele pe gaz. Plățile pentru carbon fac energia cărbunelui să fie mai puțin competitivă - mai ales pe fundalul gazelor naturale și al surselor de energie regenerabilă mai ieftine. Drept urmare, mulți investitori anunță încetarea finanțării proiectelor în generarea cărbunelui, guvernele unui număr de țări anunță abandonarea acestuia, iar în țările dezvoltate volumul de energie electrică din cărbune este în scădere.

Înseamnă asta că mâine centralele pe cărbune pot fi înlocuite cu turbine eoliene? Cu siguranță nu, deși există într-adevăr schimbări serioase în acest cel mai mare sector al industriei electrice din lume, în următorii 20-30 de ani o „ieșire masivă din cărbune” este nerealistă, chiar și luând în considerare toate provocările existente. De-a lungul anilor, industria energetică a cărbunelui va trebui să se modernizeze serios și să devină mai curată, introducând pe scară largă tehnologiile „cărbune curat”. Centralele pe cărbune pot fi mai curate decât unele centrale pe gaz, extrem de manevrabile și flexibile și funcționează în pace și armonie cu cetățenii care locuiesc în apropierea gardului lor - acest lucru a fost deja dovedit în Japonia, Germania și alte țări, dar nu a fost încă realizat în toti ceilalti. Astfel, stația de cărbune Isogo, comparabilă ca putere cu Kashirskaya GRES, odată cu cărbune, este situată la 7 km de centrul orașului Yokohama - cel mai mare port din Japonia cu o populație de 3,7 milioane de oameni (moscoviții, spre comparație, pot încerca să imaginați-vă Kashirskaya GRES undeva în Sokolniki).

Conform celor mai multe prognoze ale agențiilor internaționale, ponderea producției de cărbune în lume va scădea considerabil (de la 38% în 2017 la 20-25% până în 2040), dar în ceea ce privește volumele de producție, generarea de cărbune se va menține aproximativ la nivelul actual. - cu reduceri la scară mare în țările dezvoltate, o serie de economii din țările în curs de dezvoltare vor continua să o crească. Va rezista cărbunele, care are o serie de avantaje - ieftinitate, disponibilitate, capacități de stocare, provocărilor globale? Evident, nu va exista un răspuns clar la această întrebare; totul depinde de ce sursă dintr-o anumită regiune va prezenta cea mai mare eficiență economică și de mediu.

Dar în Rusia? În țara noastră, aproximativ același lucru se întâmplă: ecologia urbană a fost principala cauză a problemelor la centralele termice pe cărbune de la Moscova și Sankt Petersburg până la Vladivostok, iar gazul ieftin, accesibil și ușor de utilizat înlocuiește treptat cărbunele. din coșul de combustibil unde ajung conductele de gaz. Dar această metodă de rezolvare a problemelor de mediu nu funcționează peste tot. Toată Siberia, de exemplu, nu poate fi gazificată și nu dorește acest lucru cu adevărat: zeci de orașe cu o singură industrie alimentată cu cărbune funcționează doar în Kuzbass, milioane de siberieni primesc nu numai electricitate, ci și căldură de la energia termică pe cărbune. plantelor.

Un studiu al Școlii de Management din Moscova Skolkovo Energy Center examinează trei opțiuni pentru generarea pe bază de cărbune în Rusia în viitor.

În scenariul „lasă totul să meargă așa cum merge”, gazul va continua să înlocuiască treptat cărbunele din coșul de combustibil al centralelor electrice, dar, în general, producția centralelor termice pe cărbune va rămâne la nivelul actual până în 2040. Celelalte două opțiuni sunt polare și provoacă deja dezbateri aprinse.

Scenariul „verde”, conform studiului, presupune lansarea unui sistem de taxe de carbon în țara noastră (apropo, proiectul de lege aferent a fost trimis departamentelor spre aprobare la începutul lunii decembrie 2018 de către Ministerul Economiei) și înăsprirea politica de mediu în sectorul energetic. Producerea cărbunelui va deveni, în mod previzibil, prima victimă a acestei dezvoltări, iar după un pas, societatea și guvernul vor trebui să rezolve problema sprijinirii regiunilor miniere de cărbune.

Scenariul „cărbunelui” ar putea consta în stimulente pentru energia pe bază de cărbune, „legate” de creșterea eficienței și „curățeniei” acesteia. Vorbim aici despre dezvoltarea centralelor termice pe cărbune cu închiderea cazanelor pe cărbune, dezvoltarea tehnologiilor interne „cărbune curat”, modernizarea serioasă a industriei - inclusiv utilizarea mecanismelor deja lansate pe piață. de energie termică (cazană alternativă) și energie electrică (DPM-2) și surse suplimentare.

Societatea, autoritățile și companiile energetice trebuie să decidă spre ce opțiune înclină. Aceasta nu este o întrebare despre ce știri și interogări vor fi în primele motoare de căutare. Aceasta este o chestiune de calitate a vieții a milioane de oameni direct sau indirect conectați cu generarea de cărbune.

Pe măsură ce țara construia din ce în ce mai multe centrale electrice, dependența sa de cărbune a crescut. De la Primul Război Mondial, aproximativ jumătate din producția anuală de energie electrică din Statele Unite provine din centrale termice pe cărbune. În 1986, capacitatea totală instalată a unor astfel de centrale electrice era de 289.000 MW, iar acestea consumau 75% din cantitatea totală (900 milioane tone) de cărbune produsă în țară. Având în vedere incertitudinile existente cu privire la perspectivele de dezvoltare a energiei nucleare și de creștere a producției de petrol și gaze naturale, se poate presupune că până la sfârșitul secolului, centralele termice pe cărbune vor produce până la 70% din toată energia electrică produsă. în țară.

Cu toate acestea, în ciuda faptului că cărbunele a fost și va fi pentru mulți ani de acum înainte principala sursă de energie electrică (în Statele Unite reprezintă aproximativ 80% din rezervele tuturor tipurilor de combustibili naturali), acesta nu a fost niciodată combustibil optim pentru centralele electrice. Conținutul de energie specifică pe unitatea de greutate (adică puterea calorică) al cărbunelui este mai mic decât cel al petrolului sau al gazelor naturale. Este mai dificil de transportat și, în plus, arderea cărbunelui provoacă o serie de consecințe nedorite asupra mediului, în special ploile acide. De la sfârșitul anilor 60, atractivitatea centralelor termice pe cărbune a scăzut brusc din cauza cerințelor mai stricte pentru poluarea mediului cu emisii gazoase și solide sub formă de cenușă și zgură. Costurile rezolvării acestor probleme de mediu, împreună cu costul tot mai mare al construcției de instalații complexe precum centralele termice, au făcut ca perspectivele de dezvoltare ale acestora să fie mai puțin favorabile din punct de vedere pur economic.

Cu toate acestea, dacă baza tehnologică a centralelor termice pe cărbune este schimbată, atractivitatea anterioară a acestora poate fi reînviată. Unele dintre aceste modificări sunt de natură evolutivă și vizează în primul rând creșterea capacității instalațiilor existente. În același timp, sunt dezvoltate procese complet noi pentru arderea cărbunelui fără deșeuri, adică cu daune minime aduse mediului. Introducerea de noi procese tehnologice are ca scop asigurarea faptului că viitoarele centrale termice pe cărbune pot fi controlate eficient pentru gradul de poluare a mediului, au flexibilitate în ceea ce privește capacitatea de a utiliza diferite tipuri de cărbune și nu necesită timpi lungi de construcție.

Pentru a aprecia importanța progreselor în tehnologia de ardere a cărbunelui, să luăm în considerare pe scurt funcționarea unei centrale termice convenționale pe cărbune. Cărbunele este ars în cuptorul unui cazan cu abur, care este o cameră imensă cu țevi în interior în care apa este transformată în abur. Înainte de a fi introdus în cuptor, cărbunele este zdrobit în praf, datorită căruia se obține aproape aceeași completitate a arderii ca și la arderea gazelor combustibile. Un cazan mare de abur consumă în medie 500 de tone de cărbune pulverizat în fiecare oră și generează 2,9 milioane kg de abur, ceea ce este suficient pentru a produce 1 milion kWh de energie electrică. În același timp, centrala emite aproximativ 100.000 m3 de gaze în atmosferă.
Aburul generat trece printr-un supraîncălzitor, unde temperatura și presiunea acestuia cresc, apoi intră în turbina de înaltă presiune. Energia mecanică de rotație a turbinei este convertită de un generator electric în energie electrică. Pentru a obține o eficiență mai mare de conversie a energiei, aburul de la turbină este de obicei returnat la cazan pentru supraîncălzire secundară și apoi antrenează una sau două turbine de joasă presiune înainte de a fi condensat prin răcire; condensul este returnat în ciclul cazanului.

Echipamentele unei centrale termice includ mecanisme de alimentare cu combustibil, cazane, turbine, generatoare, precum și sisteme complexe de răcire, purificare a gazelor arse și îndepărtarea cenușii. Toate aceste sisteme primare și auxiliare sunt proiectate să funcționeze cu fiabilitate ridicată timp de 40 de ani sau mai mult la sarcini care variază de la 20% din capacitatea instalată a instalației până la maxim. Costurile echipamentelor de capital pentru o centrală termică tipică de 1000 MW depășesc de obicei 1 miliard USD.

Cu toate acestea, începând cu anii 60, ritmul progresului a început să scadă. Această tendință pare să se explice prin faptul că centralele termice tradiționale au atins limita perfecțiunii lor, determinată de legile termodinamicii și de proprietățile materialelor din care sunt fabricate cazanele și turbinele. De la începutul anilor '70, acești factori tehnici au fost agravați de noi motive economice și organizatorice. În special, costurile de capital au crescut brusc, ritmul de creștere a cererii de energie electrică a încetinit, cerințele pentru protejarea mediului de emisiile nocive au devenit mai stricte, iar perioada de implementare a proiectelor de construcție a centralelor electrice s-a prelungit. Drept urmare, costul de producere a energiei electrice din cărbune, care a avut o tendință descendentă de mulți ani, a crescut brusc. Într-adevăr, 1 kW de energie electrică produsă de noi centrale termice costă acum mai mult decât în 1920 (la prețuri comparabile).

Ideea de colectare umedă a prafului este simplă, dar în practică se dovedește a fi dificilă și costisitoare. O substanță alcalină, de obicei var sau calcar, este amestecată cu apă și soluția este pulverizată în fluxul de gaze arse. Oxizii de sulf conținuți în gazele de ardere sunt absorbiți de particulele alcaline și cad din soluție sub formă de sulfit inert sau sulfat de calciu (gips). Gipsul poate fi îndepărtat cu ușurință sau, dacă este suficient de curat, poate fi comercializat ca material de construcție. În sistemele de spălare mai complexe și mai scumpe, reziduurile de gips pot fi transformate în acid sulfuric sau sulf elementar, produse chimice mai valoroase. Din 1978, instalarea epuratoarelor este obligatorie la toate centralele termice aflate in constructie cu combustibil pe carbune pulverizat. Drept urmare, industria energetică din SUA are acum mai multe instalații de epurare decât restul lumii.
Costul unui sistem de curățare la stațiile noi este de obicei de 150-200 USD per 1 kW de capacitate instalată. Instalarea scruberelor la stațiile existente, proiectate inițial fără spălare umedă cu gaz, costă cu 10-40% mai mult decât la stațiile noi. Costurile de operare ale scruberelor sunt destul de mari, indiferent dacă sunt instalate în instalații vechi sau noi. Scruberele produc cantități uriașe de nămol de gips care trebuie reținut în iazurile de decantare sau aruncat în haldele, creând o nouă problemă de mediu. De exemplu, o centrală termică cu o capacitate de 1000 MW, care funcționează pe cărbune care conține 3% sulf, produce atât de mult nămol pe an încât poate acoperi o suprafață de 1 km2 cu un strat de aproximativ 1 m grosime.
În plus, sistemele de curățare cu gaze umede consumă multă apă (la o centrală de 1000 MW, debitul de apă este de aproximativ 3800 l/min), iar echipamentele și conductele lor sunt adesea supuse înfundarii și coroziunii. Acești factori cresc costurile de operare și reduc fiabilitatea generală a sistemului. În cele din urmă, în sistemele de epurare, de la 3 la 8% din energia generată de stație este cheltuită pentru acționarea pompelor și a aspiratoarelor de fum și pentru încălzirea gazelor de ardere după curățarea gazelor, ceea ce este necesar pentru a preveni condensul și coroziunea în coșuri.
Adoptarea pe scară largă a scruberelor în industria energetică americană nu a fost nici ușoară, nici ieftină. Primele instalații de epurare au fost semnificativ mai puțin fiabile decât alte echipamente ale fabricii, astfel încât componentele sistemelor de epurare au fost proiectate cu o marjă mare de siguranță și fiabilitate. Unele dintre dificultățile asociate cu instalarea și funcționarea scruberelor pot fi atribuite faptului că aplicarea industrială a tehnologiei de spălare a fost începută prematur. Abia acum, după 25 de ani de experiență, fiabilitatea sistemelor de epurare a atins un nivel acceptabil.
Costul centralelor termice pe cărbune a crescut nu numai pentru că sunt necesare sisteme de control al emisiilor, ci și pentru că costurile de construcție în sine au crescut vertiginos. Chiar și ținând cont de inflație, costul unitar al capacității instalate a centralelor termice pe cărbune este acum de trei ori mai mare decât în 1970. În ultimii 15 ani, „economiile de scară”, adică beneficiile construirii de centrale electrice mari, au fost anulate de creșteri semnificative ale costurilor de construcție. O parte din această creștere reflectă costul ridicat al finanțării proiectelor de capital pe termen lung.

Impactul întârzierilor proiectelor poate fi observat la companiile energetice japoneze. Firmele japoneze sunt de obicei mai eficiente decât omologii lor americani în rezolvarea problemelor organizatorice, tehnice și financiare care întârzie adesea punerea în funcțiune a proiectelor mari de construcții. În Japonia, o centrală electrică poate fi construită și operațională în 30-40 de luni, în timp ce în SUA o centrală de aceeași capacitate necesită de obicei 50-60 de luni. Cu un timp atât de lung de implementare a proiectelor, costul unei noi centrale în construcție (și, prin urmare, costul capitalului înghețat) se dovedește a fi comparabil cu capitalul fix al multor companii energetice din SUA.

Așadar, utilitățile caută modalități de a reduce costul construirii de noi centrale de generare a energiei, în special prin utilizarea centralelor modulare de capacitate mai mică, care pot fi transportate și instalate rapid pe o instalație existentă pentru a satisface cererea în creștere. Astfel de instalații pot fi puse în funcțiune într-un timp mai scurt și, prin urmare, se pot achita mai repede, chiar dacă rentabilitatea investiției rămâne constantă. Instalarea de noi module numai atunci când este necesară creșterea capacității sistemului poate duce la economii nete de până la 200 USD per kW, deși economiile de scară se pierd atunci când se utilizează instalații cu putere redusă.
Ca o alternativă la construirea de noi instalații de generare a energiei, companiile de energie au fost, de asemenea, recondiționarea centralelor electrice existente pentru a le îmbunătăți performanța și a prelungi durata de viață a acestora. Această strategie necesită în mod natural costuri de capital mai mici decât construirea de noi stații. Această tendință este justificată și pentru că centralele electrice construite cu aproximativ 30 de ani în urmă nu sunt încă învechite din punct de vedere moral. În unele cazuri, chiar funcționează cu o eficiență mai mare, deoarece nu sunt echipate cu scrubere. Vechile centrale electrice devin din ce în ce mai importante în sectorul energetic al țării. În 1970, doar 20 de instalații de generare a energiei din Statele Unite aveau mai mult de 30 de ani. Până la sfârșitul secolului, 30 de ani va fi vârsta medie a centralelor termice pe cărbune.

Companiile energetice caută, de asemenea, modalități de a reduce costurile de exploatare a centralei. Pentru a preveni pierderile de energie, este necesar să se avertizeze în timp util cu privire la deteriorarea performanței celor mai critice zone ale instalației. Prin urmare, monitorizarea continuă a stării componentelor și sistemelor devine o parte importantă a serviciului operațional. O astfel de monitorizare continuă a proceselor naturale de uzură, coroziune și eroziune permite operatorilor de instalații să ia măsuri în timp util și să prevină defecțiunile de urgență a centralelor electrice. Semnificația unor astfel de măsuri poate fi apreciată în mod corespunzător atunci când se consideră, de exemplu, că întreruperea forțată a unei centrale pe cărbune de 1000 MW poate provoca o pierdere de 1 milion USD pe zi pentru compania electrică, în principal pentru că energia negenerată trebuie să fie compensate prin furnizarea de energie electrică din surse mai scumpe.

Creșterea costurilor unitare pentru transportul și prelucrarea cărbunelui și pentru îndepărtarea zgurii a făcut din calitatea cărbunelui (determinată de conținutul de umiditate, sulf și alte minerale) un factor important, care determină caracteristicile de performanță și economicitatea centralelor termice. Deși cărbunele de calitate scăzută poate costa mai puțin decât cărbunele de calitate superioară, costă mult mai mult pentru a produce aceeași cantitate de energie electrică. Costurile transportului de cantități mai mari de cărbune de calitate scăzută pot compensa beneficiile prețului său mai mic. În plus, cărbunele de calitate scăzută produce de obicei mai multe deșeuri decât cărbunele de calitate superioară și, prin urmare, sunt necesare costuri mai mari pentru îndepărtarea zgurii. În cele din urmă, compoziția cărbunilor de calitate scăzută este supusă fluctuațiilor mari, ceea ce face dificilă „ajustarea” sistemului de combustibil al stației pentru a funcționa cu cea mai mare eficiență posibilă; în acest caz, sistemul trebuie reglat astfel încât să poată funcționa pe cărbune de cea mai proastă calitate așteptată.
În centralele electrice în funcțiune, calitatea cărbunelui poate fi îmbunătățită sau cel puțin stabilizată prin îndepărtarea unor impurități, precum mineralele care conțin sulf, înainte de ardere. În stațiile de epurare, cărbunele „murdar” zdrobit este separat de impurități prin multe metode care exploatează diferențele de greutate specifică sau alte caracteristici fizice ale cărbunelui și impurităților.

În ciuda acestor eforturi de îmbunătățire a performanței centralelor termice pe cărbune existente, Statele Unite vor trebui să adauge o capacitate suplimentară de generare a energiei electrice de 150.000 MW până la sfârșitul secolului, dacă cererea de energie electrică crește la ritmul așteptat de 2,3% pe an. . Pentru a menține cărbunele competitiv pe o piață a energiei în continuă expansiune, utilitățile vor trebui să adopte metode noi, avansate de ardere a cărbunelui, care sunt mai eficiente decât metodele tradiționale de ardere a cărbunelui în trei moduri cheie: mai puțină poluare, timpi mai scurti de construcție a centralei și performanță îmbunătățită a centralei și performanta..

ARDEREA CĂRBUNELOR ÎN PATUL FLUIDIFICAT reduce nevoia de instalații auxiliare pentru a curăța emisiile centralelor electrice.
Un strat fluidizat dintr-un amestec de cărbune și calcar este creat în cuptorul cazanului printr-un flux de aer în care particulele solide sunt amestecate și suspendate, adică se comportă în același mod ca într-un lichid care fierbe.
Amestecarea turbulentă asigură arderea completă a cărbunelui; în acest caz, particulele de calcar reacţionează cu oxizii de sulf şi captează aproximativ 90% din aceşti oxizi. Deoarece serpentinele de încălzire ale cazanului ating direct patul fluidizat de combustibil, generarea de abur are loc cu o eficiență mai mare decât în cazanele de abur convenționale care funcționează pe cărbune măcinat.
În plus, temperatura cărbunelui de ardere într-un pat fluidizat este mai scăzută, ceea ce previne topirea zgurii cazanului și reduce formarea oxizilor de azot.

Gazificarea cărbunelui poate fi realizată prin încălzirea unui amestec de cărbune și apă într-o atmosferă de oxigen. Produsul procesului este un gaz format în principal din monoxid de carbon și hidrogen. Odată ce gazul a fost răcit, curățat de particule și desulfurat, acesta poate fi folosit ca combustibil pentru turbinele cu gaz și apoi pentru a produce abur pentru o turbină cu abur (ciclu combinat).
O centrală cu ciclu combinat emite mai puțini poluanți în atmosferă decât o centrală termică convențională pe cărbune.

Un cazan cu focar, în care cărbunele este ars într-un pat fluidizat, are o suprafață mai mare a suprafețelor de transfer de căldură ale conductelor decât un cazan convențional care funcționează pe cărbune pulverizat, ceea ce permite scăderea temperaturii din focar și, prin urmare, reduce formarea oxizilor de azot. (În timp ce temperatura într-un cazan convențional poate fi peste 1650 °C, într-un cazan cu combustie cu pat fluidizat este în intervalul 780-870 °C.) În plus, calcarul amestecat cu cărbunele leagă 90% sau mai mult din sulful eliberat. din cărbune în timpul arderii, deoarece temperatura de funcționare mai scăzută favorizează reacția dintre sulf și calcar pentru a forma sulfit sau sulfat de calciu. În acest fel, substanțele nocive pentru mediu formate la arderea cărbunelui sunt neutralizate în punctul de formare, adică în cuptor.
În plus, un cazan cu ardere în pat fluidizat, prin proiectare și principiul său de funcționare, este mai puțin sensibil la fluctuațiile calității cărbunelui. Cuptorul unui cazan convențional pe cărbune pulverizat produce o cantitate imensă de zgură topită, care adesea înfundă suprafețele de transfer de căldură și, prin urmare, reduce eficiența și fiabilitatea cazanului. Într-un cazan cu ardere în pat fluidizat, cărbunele arde la o temperatură sub punctul de topire al zgurii și, prin urmare, problema înfundarii suprafețelor de încălzire cu zgură nici măcar nu se pune. Astfel de cazane pot funcționa pe cărbune de calitate inferioară, ceea ce în unele cazuri poate reduce semnificativ costurile de exploatare.
Metoda de ardere în pat fluidizat este ușor de implementat în cazanele modulare cu un randament scăzut de abur. Potrivit unor estimări, investiția pentru o centrală termică cu cazane compacte care funcționează pe principiul pat fluidizat poate fi cu 10-20% mai mică decât investiția pentru o centrală termică tradițională de aceeași capacitate. Economiile sunt realizate prin reducerea timpului de construcție. În plus, puterea unei astfel de stații poate fi crescută cu ușurință atunci când sarcina electrică crește, ceea ce este important pentru acele cazuri în care creșterea sa în viitor este necunoscută dinainte. Problema de planificare este, de asemenea, simplificată, deoarece astfel de instalații compacte pot fi instalate rapid de îndată ce apare necesitatea creșterii producției de energie.
Cazanele cu ardere în pat fluidizat pot fi, de asemenea, integrate în centralele electrice existente atunci când capacitatea de generare trebuie mărită rapid. De exemplu, compania energetică Northern States Power a transformat unul dintre cazanele pe cărbune pulverizat de la stație în bucăți. Minnesota într-un cazan cu pat fluidizat. Reabilitarea a fost realizată cu scopul de a crește capacitatea centralei cu 40%, de a reduce cerințele de calitate a combustibilului (cazanul poate funcționa chiar și cu deșeuri locale), de a curăța mai temeinic emisiile și de a prelungi durata de viață a stației până la 40 de ani.
În ultimii 15 ani, tehnologia utilizată în centralele termice echipate exclusiv cu cazane cu combustie în pat fluidizat s-a extins de la mici centrale pilot și pilot la mari centrale „demonstrative”. Această centrală, cu o capacitate totală de 160 MW, este construită în comun de către Tennessee Valley Authority, Duke Power și Commonwealth of Kentucky; Colorado-Ute Electric Association, Inc. a pus în funcțiune o centrală de 110 MW cu cazane cu ardere în pat fluidizat. Dacă aceste două proiecte, precum și cel al Northern States Power, un joint venture din sectorul privat cu un capital total de aproximativ 400 milioane USD, vor avea succes, riscul economic asociat cu utilizarea cazanelor cu pat fluidizat în industria energetică va fi redus semnificativ. .
O altă metodă, care, totuși, exista deja într-o formă mai simplă la mijlocul secolului al XIX-lea, este gazeificarea cărbunelui pentru a produce gaz „cu ardere curată”. Un astfel de gaz este potrivit pentru iluminat și încălzire și a fost utilizat pe scară largă în Statele Unite înainte de al Doilea Război Mondial, până când a fost înlocuit cu gaz natural.
Inițial, gazeificarea cărbunelui a atras atenția companiilor energetice, care sperau să folosească această metodă pentru a crea un combustibil care arde fără deșeuri și astfel să scape de spălare. Acum a devenit evident că gazificarea cărbunelui are un avantaj mai important: produsele de ardere fierbinți ai gazului generatorului pot fi utilizate direct pentru a antrena turbinele cu gaz. La rândul său, căldura reziduală a produselor de ardere după o turbină cu gaz poate fi utilizată pentru a produce abur pentru a antrena o turbină cu abur. Această combinație de turbine cu gaz și abur, numită ciclu combinat, este acum una dintre cele mai eficiente moduri de a produce energie electrică.
Gazul obținut prin gazeificarea cărbunelui și eliberat de sulf și particule este un combustibil excelent pentru turbinele cu gaz și, ca și gazul natural, arde aproape fără deșeuri. Eficiența ridicată a ciclului combinat compensează pierderile inevitabile asociate cu conversia cărbunelui în gaz. Mai mult, o centrală cu ciclu combinat consumă mult mai puțină apă, deoarece două treimi din putere este generată de o turbină cu gaz, care nu necesită apă, spre deosebire de o turbină cu abur.
Viabilitatea centralelor electrice cu ciclu combinat care funcționează pe principiul gazificării cărbunelui a fost dovedită de experiența exploatării stației „Cool Water” Edison din California de Sud. Această centrală, cu o capacitate de aproximativ 100 MW, a fost dată în funcțiune în mai 1984. Poate funcționa pe diferite tipuri de cărbune. Emisiile stației nu diferă ca puritate de cele ale unei stații de benzină învecinate. Conținutul de oxid de sulf al gazelor de eșapament este menținut cu mult sub nivelul necesar printr-un sistem auxiliar de recuperare a sulfului, care elimină aproape tot sulful conținut în combustibilul de alimentare și produce sulf curat în scopuri industriale. Formarea oxizilor de azot este prevenită prin adăugarea de apă în gaz înainte de ardere, ceea ce reduce temperatura de ardere a gazului. Mai mult, cărbunele rămas nears în gazeificator este topit într-un material sticlos inert care, atunci când este răcit, îndeplinește reglementările din California privind deșeurile solide.
Pe lângă o eficiență mai mare și o poluare mai mică a mediului, centralele cu ciclu combinat au un alt avantaj: pot fi construite în mai multe etape, astfel încât capacitatea instalată să fie mărită în blocuri. Această flexibilitate în construcții reduce riscul de supra- sau subinvestiții asociat cu creșterea incertă a cererii de energie electrică. De exemplu, prima etapă a capacității instalate poate funcționa pe turbine cu gaz și poate utiliza petrol sau gaze naturale mai degrabă decât cărbunele ca combustibil, dacă prețurile curente pentru aceste produse sunt scăzute. Apoi, pe măsură ce cererea de energie electrică crește, sunt puse în funcțiune suplimentar un cazan de căldură reziduală și o turbină cu abur, ceea ce va crește nu numai puterea, ci și eficiența stației. Ulterior, când cererea de energie electrică va crește din nou, se va putea construi o centrală de gazeificare a cărbunelui la stație.
Rolul centralelor termice pe cărbune este un subiect cheie atunci când vine vorba de conservarea resurselor naturale, protecția mediului și căile de dezvoltare economică. Aceste aspecte ale problemei în cauză nu sunt neapărat conflictuale. Experiența utilizării noilor procese tehnologice pentru arderea cărbunelui arată că acestea pot rezolva cu succes și simultan problemele de protecție a mediului și de reducere a costului energiei electrice. Acest principiu a fost luat în considerare într-un raport comun SUA-Canadian privind ploile acide publicat anul trecut. Pe baza propunerilor raportului, Congresul SUA ia în considerare în prezent stabilirea unei inițiative naționale majore pentru a demonstra și implementa procese curate de ardere a cărbunelui. Inițiativa, care va combina capitalul privat cu investițiile federale, își propune să aducă noi procese de ardere a cărbunelui, inclusiv cazane cu pat fluidizat și gazeificatoare, la o utilizare industrială pe scară largă în anii 1990. Cu toate acestea, chiar și cu utilizarea pe scară largă a noilor procese de ardere a cărbunelui în viitorul apropiat, cererea în creștere de energie electrică nu poate fi satisfăcută fără un întreg set de măsuri coordonate pentru conservarea energiei electrice, reglarea consumului acesteia și creșterea productivității centralelor termice existente care funcționează pe principii tradiționale. Problemele economice și de mediu continue sunt probabil să conducă la dezvoltări tehnologice complet noi, care sunt fundamental diferite de cele descrise aici. În viitor, centralele termice pe cărbune se pot transforma în întreprinderi integrate de prelucrare a resurselor naturale. Astfel de întreprinderi vor procesa combustibili locali și alte resurse naturale și vor produce energie electrică, căldură și diverse produse în funcție de nevoile economiei locale. Pe lângă cazanele cu ardere în pat fluidizat și instalațiile de gazeificare a cărbunelui, astfel de întreprinderi vor fi echipate cu sisteme electronice de diagnosticare tehnică și sisteme de control automate și, în plus, vor beneficia de utilizarea majorității produselor secundare ale arderii cărbunelui.

Astfel, posibilitățile de îmbunătățire a factorilor economici și de mediu ai producției de energie electrică pe bază de cărbune sunt foarte largi. Exploatarea la timp a acestor oportunități depinde însă de dacă guvernul poate urma o politică echilibrată în ceea ce privește producția de energie și protecția mediului care să creeze stimulentele necesare pentru industria electrică. Trebuie avut grijă să se asigure că noile procese de ardere a cărbunelui sunt dezvoltate și implementate rațional, în cooperare cu companiile energetice, și nu în același mod cum a fost cazul cu introducerea curățării gazelor de epurare. Toate acestea pot fi realizate prin reducerea la minimum a costurilor și a riscurilor prin proiectarea bine gândită, testarea și îmbunătățirea instalațiilor pilot la scară mică, urmate de comercializarea pe scară largă a sistemelor dezvoltate.

13.12.2010
Președintele rus Dmitri Medvedev la o ședință a Consiliului de Securitate al țării din 13 decembrie, el a instruit guvernul să se dezvolte doctrina securității energetice. Acest lucru este raportat de Știri RIA
........................................
Președintele a remarcat că acum, în Rusia, gazul este adesea folosit în mod nejustificat la centralele electrice. „Încă ne irosim în mod nejustificat rezervele de gaz trecând la „combustibil albastru”, chiar și acele centrale termice și cazane în care cărbunele ar putea fi folosit eficient”, a spus președintele citat. „Interfax”. Există astfel de soluții de proiectare pe baza cărora este posibilă modernizarea existente și construirea de noi centrale termice, asigurând în același timp o reducere a costului de producție a energiei electrice și o reducere a emisiilor nocive în mediu.

RICHARD E. BOLZHEISER, KURT E. IGER
„În lumea științei” (Scientific American) nr. 11 1987

În 1879, când Thomas Alva Edison a inventat lampa incandescentă, a început epoca electrificării. Producerea unor cantități mari de energie electrică necesita combustibil ieftin și ușor disponibil. Cărbunele a îndeplinit aceste cerințe, iar primele centrale electrice (construite la sfârșitul secolului al XIX-lea chiar de Edison) funcționau pe cărbune. Pe măsură ce țara construia din ce în ce mai multe centrale electrice, dependența sa de cărbune a crescut. De la Primul Război Mondial, aproximativ jumătate din producția anuală de energie electrică din Statele Unite provine din centrale termice pe cărbune. În 1986, capacitatea totală instalată a unor astfel de centrale electrice era de 289.000 MW, iar acestea consumau 75% din cantitatea totală (900 milioane tone) de cărbune produsă în țară. Având în vedere incertitudinile existente cu privire la perspectivele de dezvoltare a energiei nucleare și de creștere a producției de petrol și gaze naturale, se poate presupune că până la sfârșitul secolului, centralele termice pe cărbune vor produce până la 70% din toată energia electrică produsă. în țară.
Cu toate acestea, în ciuda faptului că cărbunele a fost și va fi pentru mulți ani de acum înainte principala sursă de energie electrică (în Statele Unite reprezintă aproximativ 80% din rezervele tuturor tipurilor de combustibili naturali), acesta nu a fost niciodată combustibil optim pentru centralele electrice. Conținutul de energie specifică pe unitatea de greutate (adică puterea calorică) al cărbunelui este mai mic decât cel al petrolului sau al gazelor naturale. Este mai dificil de transportat și, în plus, arderea cărbunelui provoacă o serie de consecințe nedorite asupra mediului, în special ploile acide. De la sfârșitul anilor 60, atractivitatea centralelor termice pe cărbune a scăzut brusc din cauza cerințelor mai stricte pentru poluarea mediului cu emisii gazoase și solide sub formă de cenușă și zgură. Costurile rezolvării acestor probleme de mediu, împreună cu costul tot mai mare al construcției de instalații complexe precum centralele termice, au făcut ca perspectivele de dezvoltare ale acestora să fie mai puțin favorabile din punct de vedere pur economic.
Cu toate acestea, dacă baza tehnologică a centralelor termice pe cărbune este schimbată, atractivitatea anterioară a acestora poate fi reînviată. Unele dintre aceste modificări sunt de natură evolutivă și vizează în primul rând creșterea capacității instalațiilor existente. În același timp, sunt dezvoltate procese complet noi pentru arderea cărbunelui fără deșeuri, adică cu daune minime aduse mediului. Introducerea de noi procese tehnologice are ca scop asigurarea faptului că viitoarele centrale termice pe cărbune pot fi controlate eficient pentru gradul de poluare a mediului, au flexibilitate în ceea ce privește capacitatea de a utiliza diferite tipuri de cărbune și nu necesită timpi lungi de construcție.

Eficiența cu care căldura degajată prin arderea cărbunelui poate fi transformată în energie electrică era de numai 5% înainte de 1900, dar până în 1967 ajunsese la 40%. Cu alte cuvinte, pe o perioadă de aproximativ 70 de ani, consumul specific de cărbune pe unitatea de energie electrică produsă a scăzut de opt ori. În consecință, a existat o scădere a costului de 1 kW de capacitate instalată a centralelor termice: dacă în 1920 era de 350 de dolari (la prețurile din 1967), atunci în 1967 a scăzut la 130 de dolari. Și prețul energiei electrice furnizate a scăzut peste același perioada de la 25 de cenți la 2 cenți pe 1 kWh.
Cu toate acestea, începând cu anii 60, ritmul progresului a început să scadă. Această tendință pare să se explice prin faptul că centralele termice tradiționale au atins limita perfecțiunii lor, determinată de legile termodinamicii și de proprietățile materialelor din care sunt fabricate cazanele și turbinele. De la începutul anilor '70, acești factori tehnici au fost agravați de noi motive economice și organizatorice. În special, costurile de capital au crescut brusc, ritmul de creștere a cererii de energie electrică a încetinit, cerințele pentru protejarea mediului de emisiile nocive au devenit mai stricte, iar perioada de implementare a proiectelor de construcție a centralelor electrice s-a prelungit. Drept urmare, costul de producere a energiei electrice din cărbune, care a avut o tendință descendentă de mulți ani, a crescut brusc. Într-adevăr, 1 kW de energie electrică produsă de noi centrale termice costă acum mai mult decât în 1920 (la prețuri comparabile).

Uzina de demonstrație „Apă rece” din Edison din California de Sud procesează zilnic 1.000 de tone de cărbune pentru a produce gaz de combustie fără deșeuri.
Produsele de ardere antrenează turbina cu gaz a unui generator electric. Căldura reziduală din gazele de eșapament este folosită pentru a produce abur de apă, care rotește turbina cu abur a altui generator electric.
Fotografia prezintă două buncăre de cărbune (în centru). În dreapta acestora se află o instalație de gazeificare, un sistem de răcire cu gaz și echipamente de generare a energiei electrice.

În ultimii 20 de ani, costul centralelor termice pe cărbune a fost cel mai influențat de cerințe mai stricte pentru eliminarea gazelor,
deseuri lichide si solide. Sistemele de curățare a gazelor și de îndepărtare a cenușii din centralele termice moderne reprezintă acum 40% din costurile de capital și 35% din costurile de exploatare. Din punct de vedere tehnic și economic, cel mai semnificativ element al unui sistem de control al emisiilor este unitatea de desulfurare a gazelor arse, numită adesea sistem umed (scrubber). Un colector de praf umed (scrubber) captează oxizii de sulf, care sunt principalii poluanți formați în timpul arderii cărbunelui.
Ideea de colectare umedă a prafului este simplă, dar în practică se dovedește a fi dificilă și costisitoare. O substanță alcalină, de obicei var sau calcar, este amestecată cu apă și soluția este pulverizată în fluxul de gaze arse. Oxizii de sulf conținuți în gazele de ardere sunt absorbiți de particulele alcaline și cad din soluție sub formă de sulfit inert sau sulfat de calciu (gips). Gipsul poate fi îndepărtat cu ușurință sau, dacă este suficient de curat, poate fi comercializat ca material de construcție. În sistemele de spălare mai complexe și mai scumpe, reziduurile de gips pot fi transformate în acid sulfuric sau sulf elementar, produse chimice mai valoroase. Din 1978, instalarea epuratoarelor este obligatorie la toate centralele termice aflate in constructie cu combustibil pe carbune pulverizat. Drept urmare, industria energetică din SUA are acum mai multe instalații de epurare decât restul lumii.
Costul unui sistem de curățare la stațiile noi este de obicei de 150-200 USD per 1 kW de capacitate instalată. Instalarea scruberelor la stațiile existente, proiectate inițial fără spălare umedă cu gaz, costă cu 10-40% mai mult decât la stațiile noi. Costurile de operare ale scruberelor sunt destul de mari, indiferent dacă sunt instalate în instalații vechi sau noi. Scruberele produc cantități uriașe de nămol de gips care trebuie reținut în iazurile de decantare sau aruncat în haldele, creând o nouă problemă de mediu. De exemplu, o centrală termică cu o capacitate de 1000 MW, care funcționează pe cărbune care conține 3% sulf, produce atât de mult nămol pe an încât poate acoperi o suprafață de 1 km2 cu un strat de aproximativ 1 m grosime.
În plus, sistemele de curățare cu gaze umede consumă multă apă (la o centrală de 1000 MW, debitul de apă este de aproximativ 3800 l/min), iar echipamentele și conductele lor sunt adesea supuse înfundarii și coroziunii. Acești factori cresc costurile de operare și reduc fiabilitatea generală a sistemului. În cele din urmă, în sistemele de epurare, de la 3 la 8% din energia generată de stație este cheltuită pentru acționarea pompelor și a aspiratoarelor de fum și pentru încălzirea gazelor de ardere după curățarea gazelor, ceea ce este necesar pentru a preveni condensul și coroziunea în coșuri.
Adoptarea pe scară largă a scruberelor în industria energetică americană nu a fost nici ușoară, nici ieftină. Primele instalații de epurare au fost semnificativ mai puțin fiabile decât alte echipamente ale fabricii, astfel încât componentele sistemelor de epurare au fost proiectate cu o marjă mare de siguranță și fiabilitate. Unele dintre dificultățile asociate cu instalarea și funcționarea scruberelor pot fi atribuite faptului că aplicarea industrială a tehnologiei de spălare a fost începută prematur. Abia acum, după 25 de ani de experiență, fiabilitatea sistemelor de epurare a atins un nivel acceptabil.
Costul centralelor termice pe cărbune a crescut nu numai pentru că sunt necesare sisteme de control al emisiilor, ci și pentru că costurile de construcție în sine au crescut vertiginos. Chiar și ținând cont de inflație, costul unitar al capacității instalate a centralelor termice pe cărbune este acum de trei ori mai mare decât în 1970. În ultimii 15 ani, „economiile de scară”, adică beneficiile construirii de centrale electrice mari, au fost anulate de creșteri semnificative ale costurilor de construcție. O parte din această creștere reflectă costul ridicat al finanțării proiectelor de capital pe termen lung.
Impactul întârzierilor proiectelor poate fi observat la companiile energetice japoneze. Firmele japoneze sunt de obicei mai eficiente decât omologii lor americani în rezolvarea problemelor organizatorice, tehnice și financiare care întârzie adesea punerea în funcțiune a proiectelor mari de construcții. În Japonia, o centrală electrică poate fi construită și operațională în 30-40 de luni, în timp ce în SUA o centrală de aceeași capacitate necesită de obicei 50-60 de luni. Cu un timp atât de lung de implementare a proiectelor, costul unei noi centrale în construcție (și, prin urmare, costul capitalului înghețat) se dovedește a fi comparabil cu capitalul fix al multor companii energetice din SUA.
Așadar, utilitățile caută modalități de a reduce costul construirii de noi centrale de generare a energiei, în special prin utilizarea centralelor modulare de capacitate mai mică, care pot fi transportate și instalate rapid pe o instalație existentă pentru a satisface cererea în creștere. Astfel de instalații pot fi puse în funcțiune într-un timp mai scurt și, prin urmare, se pot achita mai repede, chiar dacă rentabilitatea investiției rămâne constantă. Instalarea de noi module numai atunci când este necesară creșterea capacității sistemului poate duce la economii nete de până la 200 USD per kW, deși economiile de scară se pierd atunci când se utilizează instalații cu putere redusă.
Ca o alternativă la construirea de noi instalații de generare a energiei, companiile de energie au fost, de asemenea, recondiționarea centralelor electrice existente pentru a le îmbunătăți performanța și a prelungi durata de viață a acestora. Această strategie necesită în mod natural costuri de capital mai mici decât construirea de noi stații. Această tendință este justificată și pentru că centralele electrice construite cu aproximativ 30 de ani în urmă nu sunt încă învechite din punct de vedere moral. În unele cazuri, chiar funcționează cu o eficiență mai mare, deoarece nu sunt echipate cu scrubere. Vechile centrale electrice devin din ce în ce mai importante în sectorul energetic al țării. În 1970, doar 20 de instalații de generare a energiei din Statele Unite aveau mai mult de 30 de ani. Până la sfârșitul secolului, 30 de ani va fi vârsta medie a centralelor termice pe cărbune.
Companiile energetice caută, de asemenea, modalități de a reduce costurile de exploatare a centralei. Pentru a preveni pierderile de energie, este necesar să se avertizeze în timp util cu privire la deteriorarea performanței celor mai critice zone ale instalației. Prin urmare, monitorizarea continuă a stării componentelor și sistemelor devine o parte importantă a serviciului operațional. O astfel de monitorizare continuă a proceselor naturale de uzură, coroziune și eroziune permite operatorilor de instalații să ia măsuri în timp util și să prevină defecțiunile de urgență a centralelor electrice. Semnificația unor astfel de măsuri poate fi apreciată în mod corespunzător atunci când se consideră, de exemplu, că întreruperea forțată a unei centrale pe cărbune de 1000 MW poate provoca o pierdere de 1 milion USD pe zi pentru compania electrică, în principal pentru că energia negenerată trebuie să fie compensate prin furnizarea de energie electrică din surse mai scumpe.
Creșterea costurilor unitare pentru transportul și prelucrarea cărbunelui și pentru îndepărtarea zgurii a făcut din calitatea cărbunelui (determinată de conținutul de umiditate, sulf și alte minerale) un factor important, care determină caracteristicile de performanță și economicitatea centralelor termice. Deși cărbunele de calitate scăzută poate costa mai puțin decât cărbunele de calitate superioară, costă mult mai mult pentru a produce aceeași cantitate de energie electrică. Costurile transportului de cantități mai mari de cărbune de calitate scăzută pot compensa beneficiile prețului său mai mic. În plus, cărbunele de calitate scăzută produce de obicei mai multe deșeuri decât cărbunele de calitate superioară și, prin urmare, sunt necesare costuri mai mari pentru îndepărtarea zgurii. În cele din urmă, compoziția cărbunilor de calitate scăzută este supusă fluctuațiilor mari, ceea ce face dificilă „ajustarea” sistemului de combustibil al stației pentru a funcționa cu cea mai mare eficiență posibilă; în acest caz, sistemul trebuie reglat astfel încât să poată funcționa pe cărbune de cea mai proastă calitate așteptată.
În centralele electrice în funcțiune, calitatea cărbunelui poate fi îmbunătățită sau cel puțin stabilizată prin îndepărtarea unor impurități, precum mineralele care conțin sulf, înainte de ardere. În stațiile de epurare, cărbunele „murdar” zdrobit este separat de impurități prin multe metode care exploatează diferențele de greutate specifică sau alte caracteristici fizice ale cărbunelui și impurităților.
În ciuda acestor eforturi de îmbunătățire a performanței centralelor termice pe cărbune existente, Statele Unite vor trebui să adauge o capacitate suplimentară de generare a energiei electrice de 150.000 MW până la sfârșitul secolului, dacă cererea de energie electrică crește la ritmul așteptat de 2,3% pe an. . Pentru a menține cărbunele competitiv pe o piață a energiei în continuă expansiune, utilitățile vor trebui să adopte metode noi, avansate de ardere a cărbunelui, care sunt mai eficiente decât metodele tradiționale de ardere a cărbunelui în trei moduri cheie: mai puțină poluare, timpi mai scurti de construcție a centralei și performanță îmbunătățită a centralei și performanta..

În prezent, sunt dezvoltate mai mult de o duzină de metode de ardere a cărbunelui cu eficiență sporită și mai puține daune mediului. Cele mai promițătoare dintre ele sunt arderea în pat fluidizat și gazeificarea cărbunelui. Arderea conform primei metode se realizează în cuptorul unui cazan cu abur, care este proiectat astfel încât cărbunele zdrobit amestecat cu particule de calcar să fie menținut deasupra grătarului cuptorului într-o stare suspendată („pseudo-lichefiat”) printr-un aer puternic ascendent. curgere.
Particulele în suspensie se comportă în esență în același mod ca într-un lichid în fierbere, adică sunt în mișcare turbulentă, ceea ce asigură o eficiență ridicată a procesului de ardere. Conductele de apă ale unui astfel de cazan sunt în contact direct cu „patul fluidizat” de ardere a combustibilului, drept urmare o mare parte a căldurii este transferată prin conducție, ceea ce este mult mai eficient decât transferul de căldură radiativ și convectiv într-un cazan de abur convențional.
Un cazan cu focar, în care cărbunele este ars într-un pat fluidizat, are o suprafață mai mare a suprafețelor de transfer de căldură ale conductelor decât un cazan convențional care funcționează pe cărbune pulverizat, ceea ce permite scăderea temperaturii din focar și, prin urmare, reduce formarea oxizilor de azot. (În timp ce temperatura într-un cazan convențional poate fi peste 1650 °C, într-un cazan cu combustie cu pat fluidizat este în intervalul 780-870 °C.) În plus, calcarul amestecat cu cărbunele leagă 90% sau mai mult din sulful eliberat. din cărbune în timpul arderii, deoarece temperatura de funcționare mai scăzută favorizează reacția dintre sulf și calcar pentru a forma sulfit sau sulfat de calciu. În acest fel, substanțele nocive pentru mediu formate la arderea cărbunelui sunt neutralizate în punctul de formare, adică în cuptor.
În plus, un cazan cu ardere în pat fluidizat, prin proiectare și principiul său de funcționare, este mai puțin sensibil la fluctuațiile calității cărbunelui. Cuptorul unui cazan convențional pe cărbune pulverizat produce o cantitate imensă de zgură topită, care adesea înfundă suprafețele de transfer de căldură și, prin urmare, reduce eficiența și fiabilitatea cazanului. Într-un cazan cu ardere în pat fluidizat, cărbunele arde la o temperatură sub punctul de topire al zgurii și, prin urmare, problema înfundarii suprafețelor de încălzire cu zgură nici măcar nu se pune. Astfel de cazane pot funcționa pe cărbune de calitate inferioară, ceea ce în unele cazuri poate reduce semnificativ costurile de exploatare.
Metoda de ardere în pat fluidizat este ușor de implementat în cazanele modulare cu un randament scăzut de abur. Potrivit unor estimări, investiția pentru o centrală termică cu cazane compacte care funcționează pe principiul pat fluidizat poate fi cu 10-20% mai mică decât investiția pentru o centrală termică tradițională de aceeași capacitate. Economiile sunt realizate prin reducerea timpului de construcție. În plus, puterea unei astfel de stații poate fi crescută cu ușurință atunci când sarcina electrică crește, ceea ce este important pentru acele cazuri în care creșterea sa în viitor este necunoscută dinainte. Problema de planificare este, de asemenea, simplificată, deoarece astfel de instalații compacte pot fi instalate rapid de îndată ce apare necesitatea creșterii producției de energie.
Cazanele cu ardere în pat fluidizat pot fi, de asemenea, integrate în centralele electrice existente atunci când capacitatea de generare trebuie mărită rapid. De exemplu, compania energetică Northern States Power a transformat unul dintre cazanele pe cărbune pulverizat de la stație în bucăți. Minnesota într-un cazan cu pat fluidizat. Reabilitarea a fost realizată cu scopul de a crește capacitatea centralei cu 40%, de a reduce cerințele de calitate a combustibilului (cazanul poate funcționa chiar și cu deșeuri locale), de a curăța mai temeinic emisiile și de a prelungi durata de viață a stației până la 40 de ani.
În ultimii 15 ani, tehnologia utilizată în centralele termice echipate exclusiv cu cazane cu combustie în pat fluidizat s-a extins de la mici centrale pilot și pilot la mari centrale „demonstrative”. Această centrală, cu o capacitate totală de 160 MW, este construită în comun de către Tennessee Valley Authority, Duke Power și Commonwealth of Kentucky; Colorado-Ute Electric Association, Inc. a pus în funcțiune o centrală de 110 MW cu cazane cu ardere în pat fluidizat. Dacă aceste două proiecte, precum și cel al Northern States Power, un joint venture din sectorul privat cu un capital total de aproximativ 400 milioane USD, vor avea succes, riscul economic asociat cu utilizarea cazanelor cu pat fluidizat în industria energetică va fi redus semnificativ. .
O altă metodă, care, totuși, exista deja într-o formă mai simplă la mijlocul secolului al XIX-lea, este gazeificarea cărbunelui pentru a produce gaz „cu ardere curată”. Un astfel de gaz este potrivit pentru iluminat și încălzire și a fost utilizat pe scară largă în Statele Unite înainte de al Doilea Război Mondial, până când a fost înlocuit cu gaz natural.
Inițial, gazeificarea cărbunelui a atras atenția companiilor energetice, care sperau să folosească această metodă pentru a crea un combustibil care arde fără deșeuri și astfel să scape de spălare. Acum a devenit evident că gazificarea cărbunelui are un avantaj mai important: produsele de ardere fierbinți ai gazului generatorului pot fi utilizate direct pentru a antrena turbinele cu gaz. La rândul său, căldura reziduală a produselor de ardere după o turbină cu gaz poate fi utilizată pentru a produce abur pentru a antrena o turbină cu abur. Această combinație de turbine cu gaz și abur, numită ciclu combinat, este acum una dintre cele mai eficiente moduri de a produce energie electrică.
Gazul obținut prin gazeificarea cărbunelui și eliberat de sulf și particule este un combustibil excelent pentru turbinele cu gaz și, ca și gazul natural, arde aproape fără deșeuri. Eficiența ridicată a ciclului combinat compensează pierderile inevitabile asociate cu conversia cărbunelui în gaz. Mai mult, o centrală cu ciclu combinat consumă mult mai puțină apă, deoarece două treimi din putere este generată de o turbină cu gaz, care nu necesită apă, spre deosebire de o turbină cu abur.
Viabilitatea centralelor electrice cu ciclu combinat care funcționează pe principiul gazificării cărbunelui a fost dovedită de experiența exploatării stației „Cool Water” Edison din California de Sud. Această centrală, cu o capacitate de aproximativ 100 MW, a fost dată în funcțiune în mai 1984. Poate funcționa pe diferite tipuri de cărbune. Emisiile stației nu diferă ca puritate de cele ale unei stații de benzină învecinate. Conținutul de oxid de sulf al gazelor de eșapament este menținut cu mult sub nivelul necesar printr-un sistem auxiliar de recuperare a sulfului, care elimină aproape tot sulful conținut în combustibilul de alimentare și produce sulf curat în scopuri industriale. Formarea oxizilor de azot este prevenită prin adăugarea de apă în gaz înainte de ardere, ceea ce reduce temperatura de ardere a gazului. Mai mult, cărbunele rămas nears în gazeificator este topit într-un material sticlos inert care, atunci când este răcit, îndeplinește reglementările din California privind deșeurile solide.
Pe lângă o eficiență mai mare și o poluare mai mică a mediului, centralele cu ciclu combinat au un alt avantaj: pot fi construite în mai multe etape, astfel încât capacitatea instalată să fie mărită în blocuri. Această flexibilitate în construcții reduce riscul de supra- sau subinvestiții asociat cu creșterea incertă a cererii de energie electrică. De exemplu, prima etapă a capacității instalate poate funcționa pe turbine cu gaz și poate utiliza petrol sau gaze naturale mai degrabă decât cărbunele ca combustibil, dacă prețurile curente pentru aceste produse sunt scăzute. Apoi, pe măsură ce cererea de energie electrică crește, sunt puse în funcțiune suplimentar un cazan de căldură reziduală și o turbină cu abur, ceea ce va crește nu numai puterea, ci și eficiența stației. Ulterior, când cererea de energie electrică va crește din nou, se va putea construi o centrală de gazeificare a cărbunelui la stație.
Rolul centralelor termice pe cărbune este un subiect cheie atunci când vine vorba de conservarea resurselor naturale, protecția mediului și căile de dezvoltare economică. Aceste aspecte ale problemei în cauză nu sunt neapărat conflictuale. Experiența utilizării noilor procese tehnologice pentru arderea cărbunelui arată că acestea pot rezolva cu succes și simultan problemele de protecție a mediului și de reducere a costului energiei electrice. Acest principiu a fost luat în considerare într-un raport comun SUA-Canadian privind ploile acide publicat anul trecut. Pe baza propunerilor raportului, Congresul SUA ia în considerare în prezent stabilirea unei inițiative naționale majore pentru a demonstra și implementa procese curate de ardere a cărbunelui. Inițiativa, care va combina capitalul privat cu investițiile federale, își propune să aducă noi procese de ardere a cărbunelui, inclusiv cazane cu pat fluidizat și gazeificatoare, la o utilizare industrială pe scară largă în anii 1990. Cu toate acestea, chiar și cu utilizarea pe scară largă a noilor procese de ardere a cărbunelui în viitorul apropiat, cererea în creștere de energie electrică nu poate fi satisfăcută fără un întreg set de măsuri coordonate pentru conservarea energiei electrice, reglarea consumului acesteia și creșterea productivității centralelor termice existente care funcționează pe principii tradiționale. Problemele economice și de mediu continue sunt probabil să conducă la dezvoltări tehnologice complet noi, care sunt fundamental diferite de cele descrise aici. În viitor, centralele termice pe cărbune se pot transforma în întreprinderi integrate de prelucrare a resurselor naturale. Astfel de întreprinderi vor procesa combustibili locali și alte resurse naturale și vor produce energie electrică, căldură și diverse produse în funcție de nevoile economiei locale. Pe lângă cazanele cu ardere în pat fluidizat și instalațiile de gazeificare a cărbunelui, astfel de întreprinderi vor fi echipate cu sisteme electronice de diagnosticare tehnică și sisteme de control automate și, în plus, vor beneficia de utilizarea majorității produselor secundare ale arderii cărbunelui.
Astfel, posibilitățile de îmbunătățire a factorilor economici și de mediu ai producției de energie electrică pe bază de cărbune sunt foarte largi. Exploatarea la timp a acestor oportunități depinde însă de dacă guvernul poate urma o politică echilibrată în ceea ce privește producția de energie și protecția mediului care să creeze stimulentele necesare pentru industria electrică. Trebuie avut grijă să se asigure că noile procese de ardere a cărbunelui sunt dezvoltate și implementate rațional, în cooperare cu companiile energetice, și nu în același mod cum a fost cazul cu introducerea curățării gazelor de epurare. Toate acestea pot fi realizate prin reducerea la minimum a costurilor și a riscurilor prin proiectarea bine gândită, testarea și îmbunătățirea instalațiilor pilot la scară mică, urmate de comercializarea pe scară largă a sistemelor dezvoltate.