По источнику энергии уголь составляет 36,4% от общего производства электроэнергии.
Отказаться от угольных ТЭС непросто.
Поэтому ведется серьезная работа по оптимизации работы угольных ТЭС.
Сценарии МЭА в World Energy Outlook 2020 прогнозировали сокращение выбросов CO2 в энергетической отрасли промышленности на 60% до 2030 г.
75% этого сокращения будет достигнуто за счет быстрого сокращения производства традиционной угольной генерации.
Ожидается, что доля современных СК ТЭС вырастет, чтобы удовлетворить продолжающийся рост мирового спроса на электроэнергию.
Сверхкритические паровые циклы в сочетании с технологиями улавливания и хранения углерода (CCS) будут интегрированы в будущие экологически чистые угольные электростанции.
К 2030 г. большинство современных угольных ТЭС будут модернизированы с использованием технологий улавливания, утилизации и хранения углерода (CCUS).
Подкритические электростанции (ПК ТЭС) достигают теплового КПД в диапазоне 34% - 40% при среднем КПД около 36%, тогда как современные СК ТЭС достигают эффективности 42% - 45%.
В СК ТЭС используются современные металлические сплавы, позволяющие выдерживать экстремальные условия технологического пара и достигать еще более высокой эффективности.
Рекордно высокий чистый КПД в 47,5% был достигнут на блоке RDK Block 8 в Германии.
Это связано с повышенными условиями пара: температура перегрева и повторного нагрева пара 600/620 °C и давление пара до 275 бар.
Ультрасверхкритические электростанции УСК тЭС войдут в эксплуатацию в этом 10-летии с КПД 50% с использованием современных металлических сплавов, способных выдерживать температуру и давление пара более 700 °C. и 350 бар.
Эти современные сплавы (суперсплавы) разрабатываются путем добавления хрома (Cr), никеля (Ni), кобальта (Co), ванадия (V), вольфрама (W) и молибдена (Mo) к ферритным сталям для получения более высоких температур и коррозионная стойкость.
Повышенная тепловая эффективность приводит к снижению выбросов парниковых газов и загрязняющих веществ.
Для сравнения: замена старой традиционной докритической ТЭС на новую СК ТЭС соответствует повышению эффективности на 10 % и сокращению выбросов CO2 более чем на 20 %.
Например, традиционная угольная ТЭС вырабатывает электроэнергию с тепловым КПД 36%, имея при этом удельные выбросы около 1000 кг CO2 /МВт·ч эл.
СК ТЭС с тепловым КПД 46 % генерирует на 28 % (0,46/0,36 = 1,28) больше электроэнергии на единицу тепловложения топлива, чем подкритическая установка, тогда как выбросы составляют 781 кг CO2 /МВт·ч эл. (1000/1,28 = 781), а Снижение на 21,9%.
Угольные электростанции УСК ТЭС могли бы достичь еще более низких выбросов CO2 , около 700 кг/МВт·ч. Дальнейшее сокращение выбросов CO2 до 100 кг/МВт·ч будет возможно только при внедрении системы CCS для очистки дымовых газов, образующихся при сжигании ископаемого топлива.
СК ТЭС отличаются от традиционных угольных ТЭС тем, что вода, проходящая через них, работает как сверхкритическая жидкость, то есть не является ни жидкостью, ни газом.
Это происходит, когда вода достигает своей критической точки при высоком давлении 22 МПа и температуре 374 °С .
Когда жидкость приближается к своей критической точке, ее скрытая теплота испарения начинает уменьшаться, пока не достигнет нуля в критической точке.
Это означает, что количество энергии , необходимое для превращения воды в пар, становится все меньше и меньше, и в конечном итоге изменение фазы испарения воды происходит мгновенно.
Это уменьшает количество тепла, передаваемое воде, которое обычно требуется на обычной угольной ТЭС, поэтому для нагрева того же количества воды используется меньше угля.
Это значительно увеличивает тепловой КПД установки.
СК ТЭС являются стандартом для новых угольных ТЭС, поскольку их КПД может достигать около 44% по сравнению со угольными ТЭС традиционных технологий, которые работают с КПД около 33%. В стадии исследований и разработок находятся еще электростанции с более высоким давлением и температурой, известные как ультрасверхкритические, потенциально достигающие эффективности около 50%.
Повышение эффективности соответствует меньшему количеству выбросов парниковых газов, а также таких загрязняющих веществ , как NOx , SOx и твердые частицы, которые оказывают неблагоприятное воздействие на здоровье.
Сверхкритическая угольная ТЭС в отличие от традиционной угольной электростанции:
- снизит выработку отходящего тепла на 25%;
- сократит загрязнение окружающей среды и выбросы CO2 примерно на 25%.
