(доклад на заседании секции Охраны природы МОИП 20.04.2006 г.)
1. Энергетические ресурсы Человечества.
Название доклада "угольная пауза" дано по аналогии с "газовой паузой". Под понятием "угольная пауза" мы понимаем использование угля в течение периода, когда человечество ещё не сможет в широком масштабе использовать возобновимые природные энергетические ресурсы и термоядерную энергию. По современной оценке доказанные пригодные к разработке запасы угля превышают 1 трлн. т, что составляет свыше 85% всех запасов ископаемых топлив Земли. Исходя из огромных запасов угля, его роль в мировой энергетике в будущем должна будет возрасти. При этом должны будут, естественно, использоваться и другие источники энергии, как возобновляемые, так и невозобновляемые.
К таким источникам относятся:
нефть и газ;
энергия водных потоков;
геотермальная энергия;
энергия ветра;
энергия солнечного излучения;
"классическая" ядерная энергетика и т.д.
Геотермальная энергия используется в настоящее время в Исландии (особенно широко), Италии, Франции [1]. Ветроэнергетика широко используется в Германии (суммарная мощность установок 12 млн. кВт, что составляет 50% т выработки электроэнергии в стране). Энергия солнечного света используется в Западной Европе для создания "солнечных крыш". Гидроэнергетика используется к традиционным возобновимым, но ограниченным источникам энергии. В современном мире 38,1% электроэнергии производят, сжигая уголь, 17,5% на ГЭС, 17,2% на АЭС, 17,1% - сжигая газ, 8,5% - сжигая нефть, за счёт других источников - 1,6% [2]. В России доля газа значительно выше: 60,8% электроэнергии на ТЭС производят за счёт сжигания газа, 30,6% - за счёт сжигания угля, 8,6% - за счёт сжигания мазута. Ядерные реакторы в России вырабатывают всего 16% производимой электроэнергии (во Франции - 80%, в Германии - 50%, в Японии - 48%). Уран как сырьё снова востребован. На 1 января 2003 года МАГАТЭ зарегстрировало 440 действующих реакторов суммарной мощностью 358 млн. кВт электроэнергии. У 2010 году половина из них будет иметь возраст 25 лет и более. При выводе из эксплуатации 125 энергоблоков АЭС возникнут проблемы по размещению 1,6 млн. т радиоактивных отходов.
По одному из сценариев, разработанному международной группой специалистов, к 2050 году мощности АЭС в мире достигнут 2 млрд. кВт, а к 2100 г - 5 млрд. кВт. Другой прогноз международного энергетического агентства отводит ядерной энергетике незначительную роль, которая к концу века уменьшится. При использовании "классической" ядерной (не термоядерной!) энергетики с точки зрения ресурсов перспективным является замкнутый цикл с расширенным воспроизводством плутония. Этот цикл позволяет использовать ядерные ресурсы многие сотни лет; энергия, содержащаяся в запасах сырья для этого цикла существенно превосходит запасы энергии в угле [2]. Проблему будет создавать переработка облученного топлива, количество которого составит в 2100 г. 130 тыс. т/год, а количество рециркулируемого плутония - 7500 т. Практически неограниченным источником энергии могут стать термоядерные электростанции. Однако появления первой коммерческой термоядерной станции можно ожидать не ранее 2050 года [4]. До широкого использования термоядерной энергии должно пройти несколько десятков, а, может быть, и сотен лет. Таким образом, "пауза" до широкого использования практически неограниченного источника энергии может составить 100 - 200 лет, которую должен заполнить уголь. Разумеется, в течении "паузы" могут быть найдены и освоены другие, пока не известные источники энергии.
2. Угольная пауза и использование угля.
Несмотря на то, что запасы угля существенно больше суммарных запасов нефти и газа (примерно в 5 раз), в нашей стране угольная промышленность, как и многие другие производства, не развивается. Достаточно сказать, что в 1987 году в России было добыто около 400 млн. т угля, в 2004 г. - 283 млн. т. угля, в 2010 г. ожидается добыть 300 млн. т, а в 2020 г. - 435 млн. т [5]. В то же время в 2003 году в Китае было добыто около 1.5 млрд. т угля, а в США - около 900 млн. т. Такое отношение к углю в России можно объяснить, главным образом, общим развалом экономики и переходом ее в частные руки. В Росси сегодня осталось не более 17% объектов госсобственности. Нынешнее российское государство неотделимо от интересов олигархов [6]. В то же время сегодня в США государство управляет 35% национальной экономики, а во Франции, Голландии, Италии этот показатель превышает 50%. По оценкам международного энергетического агентства потребности в энергии будут на 85% покрываться за счет дорожающего горючего сырья. При этом сжигание угля даст только 20% мирового производства электроэнергии. Альтернативные источники энергии дадут не более 2% мирового производства электроэнергии [4].
В "энергетической стратегии России до 2020 года" предусмотрено увеличении доли угля при производстве электроэнергии до 44% (в настоящее время - 28%) [7]. В связи со сказанным выше, этот прогноз вызывает большие сомнения.
С точки зрения выброса парниковых газов угольная энергетика России может успешно развиваться. Сегодня удельный вес России в мировой эмиссии углекислого газа составляет всего 6%. США и Китай (каждый по отдельности) выбрасывает углекислого газа в несколько раз больше, чем Россия, но не принимает на себя никаких ограничений по выбросам [6].
Уголь - это наиболее избыточное, безопасное, экономичное и, как это ни кажется странным, экологически чистое топливо [8]. Средняя себестоимость электроэнергии на угольных электростанциях сопоставима с себестоимостью электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях, работающих на нефти и газе.
Использование современных технологий позволяет относительно чисто сжигать уголь. В России и СССР за весь исторический период было добыто около 30 млрд. т угля. В СССР средняя зольность угля приближалась к 28%. В развитых странах при производстве электроэнергии используется уголь, зольность которого не превышает 10%, и где 70 - 80% добываемого энергетического угля обогащается. До развала промышленности в СССР подвергалось обогащению около 50% угля, а в настоящее время - 10 - 15%. Углеобогатительные фабрики в России загружены на 50% [9]. За последние 20 лет доля труднообогатимых углей выросла с 15 до 40%. Предварительные расчеты показывают, что в связи с этим от 15 до 30% местных углей могут перейти в категорию забалансовых [10]. Это обстоятельство несколько осложняет использование угля. Однако надо помнить, что Россия обладает уникальными угольными месторождениями, такими, например, как Канско-Ачинское. Запасы угля этого месторождения, пригодные для разработки открытым способом, составляют 140 млрд. т. Уголь обладает низкой зольностью (9,75%, в Кузбассе - 21,3%, в Подмосковном бассейне - 52%) и низким содержанием серы - 0,4% [7].
В СССР были достигнуты успех в обогащении углей. В 1990 г. из общего количества обогащаемого угля в минеральных суспензиях обогащалось 31,5%, гидравлической отсадкой - 48,7%, флотацией - 11,1%. Получил распространение пневматический метод обогащения для высокозольных и высокосеринстых углей. До 1990 г. внедрены технологические решения, не имеющие аналогов в мире, например, сушка во взвешенном слое, обогащение труднообогатимых углей в тяжелосредных гидроциклонах. Например, при обогащении в тяжелосредном гидроциклонном комплексе производительностью 100 т/час промпродукта зольностью 60%, получают концентрат с зольностью 8 - 12% и отходы с зольностью 77 - 84% [11]. На предприятиях по добыче угля в СССР образовывалось ежегодно около 1 млрд м3 вскрышных пород, которые используются для засыпки выработанного пространства.
На угольных шахтах обогатительных фабриках России имелось (1986 г.) несколько сотен терриконов, загрязняющих воздушный бассейн в основном пылью и сернистым газом. Снизить отрицательное влияние вскрышных работ и терриконов (образующихся при подземной разработке угля) можно развитием систем угледобычи, исключающих выдачу породы на поверхность, тушением пожаров на терриконах, применением методов складирования породы, исключающих ее самовозгорание. В СССР начали широко применять работы по различным видам рекультивации нарушенных угледобычей земель. Углеобогатительные фабрики, как правило, работают в замкнутом водно-шлаковом цикле с повторным использованием воды и не загрязняют природные водные источники [12].
Российские электростанции, сжигающие уголь, значительно уступают лучшим зарубежным по степени улавливания золы. Кроме того, на наших электростанциях не улавливают окислы серы и азота. Преимущества лучших зарубежных электростанций по золоулавливанию (99,5%) по сравнению с лучшими отечественными объясняется не только более высоким КПД золоулавливания, но и тем, что на зарубежных электростанциях сжигается обогащенный уголь со значительно меньшей зольностью [7].
На ТЭС, сжигающих угли, должны предусматриваться следующие (технически вполне достижимые) способы снижения выбросов в атмосферу.
Глубокая очистка дымовых газов от взвешенных частиц (99% и выше) [13, 14].
Связывание сернистого газа известняком или другими веществами при сгорании топлива.
Перспективными направлениями переработки угля считается сжижение и газификация угля. В СССР газификация топлива получила развитие уже в годы первых пятилеток. В 50-х годах в промышленном масштабе была освоена технология высококалорийного газа на бурых подмосковных углях. Однако, из-за развития нефтегазовой промышленности эти работы были свёрнуты. В то же время в США в настоящее время вырабатывается большое количество искусственного газа [15].
К 1989 г. в СССР был разработан высокоинтенсивный процесс газификации различных углей в кипящем слое под давлением с высокотемпературной очисткой газа от пыли и сернистых соединений [16].
Перспективна также подземная газификация угля [17], имеющая свои преимущества (исключение тяжелых условий труда, отсутствие нарушения верхнего покрова земли, использование высокозольных и высокосернистых углей, получение более удобного технологического сырья) и недостатки (сильная зависимость эксплуатационных показателей от геологических и гидрологических условий).
Выводы
Роль угля как энергоносителя в перспективе XXI века должна возрастать, что связано с ограниченностью запасов нефти и газа. Второе обстоятельство, определяющее возрастание роди угля - проблемы, связанные с развитием "классической" атомной энергетики. Третье обстоятельство - невозможность в ближайшие десятилетия заменить невозобновимые энергетические ресурсы возобновимыми. В то же время геологические запасы бурого и каменного угля на территории СССР (1989 г.) оценивались в 6,8 трлн. т [18], что составляет 46% общемировых запасов. Даже незначительная доля этих запасов позволяет заполнить угольную паузу на 100 - 200 лет (до нахождения человечеством удовлетворительных возобновимых источников энергии).
Литература
1. Мировая энергетика. 2004. № 4.
2. Энергия (экополитика, техника, экология). 2006. № 1.
3. Горный журнал. 2005. №№ 9 - 10.
4. Мировая энергетика. 2005. № 9.
5. Уголь. 2005. № 3.
6. Мировая энергетика. 2004. № 5.
7. Энергия (экополитика, техника, экология). 2005. № 10.
8. В.Д.Грунь и др. История угледобычи в России. М., 2003.
9. Уголь. 2005. № 11.
10. Горный журнал. 2005. № 12.
11. Уголь. 2005. № 12.
12. Наиболее важные отечественные и зарубежные научно-технические достижения в области обогащения угля за 1989 г. ЦНИИЭИуголь, обзорная информация, вып. 3. 1990 г.
13. Уголь. 2005. № 2.
14. А.С.Носков, М.А.Савинкина, П.Я.Анищенко. Воздействие ТЭС на окружающкю среду и способы снижения наносимого ущерба. Новосибирск: АН СССР, 1990.
15. Промышленная энергетика. 2005. № 4.
16. Гидрогенизация и газификация угля в СССР. ГКНТ, 1989.
17. Г.Д.Шиллинг, Б.Бонн, У.Краус. Газификация угля. М.: Недра, 1986.
