Тепловая энергетика является основой энергобаланса России, и её модернизация открывает колоссальные возможности.
В России порядка 60% всей электроэнергии генерируется на тепловых электростанциях (ТЭС). По данным 2020 года, этот объём составил 652 миллиарда киловатт-часов. Суммарная мощность всех ТЭС страны достигает 164 ГВт, что в 26 раз превышает мощность крупнейшей Саяно-Шушенской ГЭС. Общая установленная мощность электростанций РФ составляет 245 ГВт. Россия следует мировой тенденции: доля тепловой генерации в мире также стабильно высока и в 2018 году составляла около 64%.
Общая выработка электроэнергии в России в 2020 году составила 1,047 триллиона кВт·ч. На атомные станции пришлось 20,6%, а на возобновляемые источники — 20,1%. Однако сторонникам «зелёной» энергетики не стоит обольщаться последней цифрой: подавляющая часть «возобновляемой» генерации — это гидроэлектростанции. Доля же ветровой и солнечной энергетики в общем балансе пока ничтожна — менее 0,5%, хотя темпы её роста впечатляют: в 2020 году выработка ветрогенераторов выросла в 4,3 раза, а солнечных электростанций — в 1,54 раза по сравнению с 2019 годом.
Ключевым показателем эффективности ТЭС является коэффициент полезного действия (КПД). Если в 2010 году средний КПД российских ТЭС составлял 36,6%, то к 2019 году, по данным Минэнерго, был достигнут исторический минимум расхода топлива на производство киловатт-часа. Это косвенно указывает на рост средневзвешенного КПД до уровня примерно 40%.
Структура и потенциал российской теплоэнергетики
Современная теплоэнергетика России представлена тремя основными типами установок, эффективность которых сильно различается.
Согласно отчёту РАО «ЕЭС России» за 2020 год, структура выглядит следующим образом: паросиловые установки (ПСУ) — 77,92%, газотурбинные установки (ГТУ) — 5,92%, парогазовые установки (ПГУ) — 16,06%.
Паросиловые установки, которые до сих пор составляют основу парка, имеют КПД в диапазоне 33–42% в зависимости от вида топлива. Газотурбинные установки в среднем ещё менее эффективны — их КПД около 30%. Наиболее современными и перспективными являются парогазовые установки (ПГУ), КПД которых в России достигает 52–53%. Именно за счёт их ввода в последнее десятилетие средний КПД отечественной теплоэнергетики вырос более чем на 3%. В 2020 году было введено и выведено из эксплуатации около 40 энергоблоков, что является частью процесса постепенного обновления устаревшего оборудования, работающего с КПД около 30%.
Экономический и экологический эффект от роста эффективности ТЭС
Повышение среднего КПД ТЭС с нынешних 40% до 50%, что достигнуто, например, в Германии, принесёт России огромные преимущества. Без увеличения потребления топлива выработка электроэнергии возрастёт на 25%, что в абсолютных цифрах 2020 года составит дополнительно 163 миллиарда кВт·ч.
Чтобы наглядно оценить масштаб этой цифры, сравним её с потенциалом солнечной энергетики. С учётом солнечной постоянной, климатических условий и КПД современных панелей (около 20%), с одного квадратного метра в год в среднем можно получить 260–350 кВт·ч. Следовательно, для генерации дополнительных 163 млрд кВт·ч потребуется покрыть солнечными батареями площадь около 543 квадратных километров — это колоссальная территория.
Важно учитывать и коэффициент использования установленной мощности (КИУМ). Для тепловой энергетики он составляет около 48%, в то время как для солнечной — лишь 15%, а для ветровой — 27%. Низкий КИУМ «зелёных» источников связан с их зависимостью от погодных условий, что является их фундаментальным недостатком и требует создания резервных мощностей.
Повышение КПД с 40% до 50% при сохранении текущего уровня генерации позволит также сократить годовой расход топлива в стране на 42 миллиона тонн, что даёт значительный экологический и экономический эффект.
Технологический рывок: рекорды и перспективы парогазовых установок
Мировыми лидерами в создании высокоэффективных ПГУ являются компании «Сименс» (Германия) и «Мицубиси» (Япония). КПД лучших их установок уже достиг 60%, а в перспективе ожидается выход на уровень 62–63%. Эта технология является высокотехнологичной и ни в чём не уступает «зелёным» решениям. Принцип работы ПГУ основан на комбинированном цикле: сначала электроэнергия производится газовой турбиной (КПД до 40%), а затем тепло её выхлопных газов используется для генерации пара, который вращает вторую, паровую турбину, добавляя ещё 15–20% к общему КПД.
Россия обладает серьёзным научно-техническим заделом в области газотурбинных технологий, особенно в авиационной отрасли. Однако в сегменте мощных энергетических турбин (от 100 МВт) страна пока отстаёт. Отечественные ПГУ в основном имеют КПД на уровне 52–53%. Тем не менее, их массовое внедрение для замены физически и морально устаревших мощностей — насущная необходимость для энергосистемы.
Альтернативный путь: перспективная разработка высокоэффективной ГТУ
Существуют и альтернативные технические решения для повышения КПД. Одно из них — высокоэффективная газотурбинная установка полузамкнутого цикла, предложенная автором статьи. Её КПД всего на 2–3% ниже, чем у лучших ПГУ. Установка использует сложную схему с регенерацией тепла и преодолевает классическую термодинамическую дилемму, ограничивавшую эффективность традиционных ГТУ. Несмотря на положительные отзывы ведущих научных институтов, это решение пока не получило поддержки на государственном уровне.
Схема высокоэффективной ГТУ: 1-компрессор замкнутого контура, 2 -регенеративный теплообменник замкнутого контура, 3-камера сгорания, 4 - турбина замкнутого контура, 5 -водяной охладитель, 6 и 7-компрессор и турбина разомкнутого контура, 8 - электрогенератор, 9 -регенератор тепла разомкнутого контура.
«Зелёная» энергетика: необходимость системного подхода
Ветровая и солнечная энергетика имеют фундаментальный недостаток — полную зависимость от погоды. В условиях России, особенно в северных регионах с коротким световым днём, это делает их ненадёжными в качестве основного источника энергии. Их рациональное применение возможно только в составе единой энергосистемы большой страны, где всегда есть регионы с подходящими погодными условиями, а также в связке с традиционной (тепловой, атомной) или гидрогенерацией, которая может выступать в качестве резерва и регулятора.
Особенно остро вопрос надёжности встаёт в отопительный сезон. Основная часть топлива в России расходуется именно на отопление. Обеспечить теплом дом в мороз только за счёт солнечных батарей, учитывая их низкий КПД и короткий зимний день, практически невозможно.
Мифы о накопителях энергии
В общественном дискурсе часто появляются прожектёрские идеи о масштабных накопителях энергии. Например, система с грузом, опускаемым в шахту. Однако простой расчёт показывает, что 100-тонный груз, опущенный на 100 метров, запасёт энергию, эквивалентную всего 2,1 кг бензина или 27 кВт·ч электроэнергии. Этого хватит на кратковременное обеспечение одного дома, но для энергосистемы посёлка или города такие объёмы ничтожны. Это наглядно демонстрирует, насколько сложна и затратна задача создания промышленных накопителей энергии, способных компенсировать неравномерность генерации ВИЭ.
Обратите внимание: Цифровая диктатура в Китае. У миллионов людей слишком мало шансов иметь возможность жить нормальной жизнью.
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.