Топливо и электричество
Энергия для общества
Почему газовые турбины – лучший выбор
В 1939 г. на городской электростанции в швейцарском Невшателе начала вырабатывать электроэнергию первая в мире газовая турбина. Машина, установленная компанией Brown, Boveri & Cie, выводила выхлопные газы, не используя их тепло, а компрессор турбины потреблял почти три четверти вырабатываемой энергии. В результате КПД составлял всего 17 %, а полезная выходная мощность – около 4 МВт.
Вторая мировая война и последовавший за ней экономический спад стали причиной того, что турбина в Невшателе оставалась единственной вплоть до 1949 г., когда Westinghouse и General Electric предложили собственные конструкции генераторов небольшой мощности. Никакой спешки с их внедрением не было, поскольку на рынке доминировали крупные угольные электростанции, вырабатывавшие самое дешевое электричество. В 1960 г. мощность самой большой газовой турбины достигла 20 МВт, все еще на порядок меньше, чем у большинства турбоагрегатов.
В ноябре 1965 г. масштабное отключение электричества на северо-востоке США заставило многих специалистов изменить точку зрения: газовую турбину можно вывести на полную мощность за несколько минут. Но растущие цены на нефть и газ, а также замедление спроса на электричество помешали быстрому распространению новой технологии. Качественный сдвиг произошел только в конце 1980-х гг.; в 1990 г. в США почти половина введенных в строй новых электрогенерирующих мощностей обеспечивалась газовыми турбинами, мощность, надежность и эффективность которых постоянно росли.
Но даже при КПД свыше 40 % температура выбрасываемых газов достигала 600 ℃, и этого хватало, чтобы вырабатывать пар в присоединенной паровой турбине. Тандем из газовой турбины и паровой турбины – газовая турбина с комбинированным циклом (ГТКЦ) – был разработан в конце 1960-х гг., а в настоящее время КПД такой установки достигает 60 %. По этому показателю с ней не может сравниться никакой другой первичный источник энергии.
Сегодня ради выработки электроэнергии для бытовых нужд компания Siemens предлагает парогазовые установки мощностью 593 МВт – почти в 40 раз больше, чем у генератора в Невшателе (15,4 МВт), – и КПД 63 %. Газовая турбина 9HA от компании General Electric выдает 571 МВт при самостоятельной работе (турбина простого цикла) и 661 МВт (КПД 63,5 %) совместно с паровой турбиной (ГТКЦ).
Конструкция мощной газовой турбины
Газовые турбины – идеальное решение при пиковых нагрузках и лучший резерв в случае, если приходится полагаться на непостоянные источники энергии – ветровые и солнечные установки. В настоящее время в Соединенных Штатах это самый дешевый вариант новых генерирующих мощностей. Нормированная стоимость электроэнергии (показатель расходов на эксплуатацию энергетического проекта в течение срока службы) для новых мощностей, которые вступят в строй в 2023 г., ожидается на уровне $ 60 за мегаватт-час (МВт·ч) для угольных турбоагрегатов с частичным улавливанием углеродных выбросов, $ 48/МВт·ч для солнечных батарей и $ 40/МВт·ч для прибрежных ветровых генераторов – но менее $ 30/МВт·ч для обычных газовых турбин и менее $ 10/МВт·ч для парогазовых установок.
Во всем мире газовые турбины также используются для одновременной выработки электричества и тепла. Пар и горячая вода нужны и во многих производственных процессах, и в системах централизованного отопления, довольно распространенных в крупных европейских городах. Эти турбины даже применяются для обогрева и освещения огромных голландских теплиц, причем у них есть и дополнительное преимущество: выбрасываемый в воздух углекислый газ, ускоряющий рост овощей. Газовыми турбинами оснащены и компрессоры на многих промышленных предприятиях и насосных станциях магистральных трубопроводов.
Вывод очевиден: никакой другой двигатель внутреннего сгорания не имеет таких преимуществ, как современные газовые турбины. Они компактны, их легко транспортировать и устанавливать, они относительно тихие, доступные по цене и эффективные, а кроме того, они обеспечивают почти мгновенный выход энергии и не нуждаются в водяном охлаждении. Все это делает их непревзойденными устройствами для выработки как механической, так и тепловой энергии.
А какой у них срок службы? Турбина в Невшателе была выведена из эксплуатации в 2002 г. после 63 лет непрерывной работы – но не из-за выхода из строя самой машины, а из-за поломки генератора.
Ядерная энергетика: несбывшиеся надежды
Эпоха промышленного производства электроэнергии на атомных электростанциях началась 17 октября 1956 г., когда королева Елизавета II подключила к энергосистеме атомную станцию Колдер-Холл на северо-западном побережье Англии. Шестьдесят лет – достаточный срок, чтобы оценить ту или иную технологию, но я по-прежнему придерживаюсь своего вывода, сделанного больше десяти лет назад: «успешный провал».
Все, что касается успеха, тщательно задокументировано. После медленного старта в 1960-х гг. строительство реакторов ускорилось, и в 1977 г. в США атомные станции вырабатывали более 10 % электроэнергии, а в 1991 г. эта доля увеличилась до 20 %. Атомная энергетика завоевывала рынок быстрее, чем устройства на фотоэлементах и ветровые генераторы, появившиеся в 1990-х гг.
В конце 2019 г. в мире насчитывалось 449 действующих реакторов (и 53 на стадии строительства), причем коэффициент использования установленной мощности на многих из них превышал 90 %. Такую проектную производительность реакторы в среднем поддерживали круглый год, вырабатывая в два с лишним раза больше электроэнергии, чем фотоэлементы и ветряные турбины вместе взятые. В 2018 г. наибольшая доля атомной энергетики была во Франции (около 72 %) и в Венгрии (50 %); в Швейцарии на ядерные реакторы приходилось 38 % электроэнергии, производимой в стране, в Южной Корее – 24 %, в США – чуть меньше 20 %.
«Провал» связан с несбывшимися надеждами. Уверение в том, что атомная энергетика будет «слишком дешевой, чтобы ее цену можно было измерить», не выдумка: именно эти слова произнес Льюис Штраусс, председатель Комиссии по атомной энергии США, на съезде Национальной ассоциации авторов научных публикаций в сентябре 1954 г. в Нью-Йорке. И это было не последнее из подобных смелых заявлений. В 1971 г. Гленн Сиборг, лауреат Нобелевской премии и в то время председатель Комиссии по атомной энергии, предсказывал, что к 2000 г. ядерные реакторы будут вырабатывать почти всю электроэнергию в мире. Сиборг говорил о гигантских прибрежных «ядерных комплексах» для опреснения воды; о геостационарных спутниках телевещания с компактными ядерными реакторами; о танкерах с ядерными силовыми установками; о ядерных взрывах, которые будут менять русла рек и помогать в строительстве подземных городов; о том, что ядерные ракетные двигатели доставят человека на Марс…
Однако проект получения электричества из ядерной энергии затормозил в 1980-х гг. – причиной тому стало падение спроса на электроэнергию в развитых странах и многочисленные проблемы с атомными станциями. Самыми серьезными стали три аварии: на острове Три-Майл-Айленд в штате Пенсильвания в 1979 г., в украинском Чернобыле в 1986 г. и в японской префектуре Фукусима в 2011 г. Эти катастрофы дали серьезные аргументы противникам атомной энергетики.
Тем временем стоимость строительства атомных электростанций превышала ожидаемую, и ученым никак не удавалось разработать приемлемый способ хранения отработанного ядерного топлива (в настоящее время оно временно хранится в контейнерах на территории станции). Кроме того, не удалось добиться успехов в конструировании установок более дешевых и безопасных, чем водо-водяные ядерные реакторы, которые, по сути, представляли собой сухопутные версии реакторов, разработанных в 1950-х гг. для американских подлодок.
В результате общество на Западе обуревают сомнения, компании осторожничают, Германия и Швеция собираются вообще отказаться от атомной энергии, и даже Франция намерена сократить ее долю. И в ближайшие годы реакторы, которые строятся в разных странах мира, не смогут компенсировать потерю мощности, которую повлечет вывод из эксплуатации установок, отработавших свой срок.
Из всех крупных экономик развивать ядерную энергетику намерены только азиатские страны, в первую очередь Китай и Индия, но даже они не в состоянии воспрепятствовать уменьшению доли атомных станций в мировом производстве электроэнергии. Эта доля достигла максимума, почти 18 %, в 1996 г., упала до 10 % в 2018-м, а к 2040 г., по прогнозу Международного энергетического агентства, ожидается лишь небольшой подъем – до уровня 12 %.
Мы можем многое сделать – в первую очередь использовать более совершенные конструкции реактора и решительно заняться проблемой хранения отходов, – чтобы получать немалую долю электроэнергии, расщепляя атом и тем самым ограничивая выбросы углекислого газа. Но это потребует непредвзятого анализа фактов и по-настоящему долгосрочного подхода к глобальной энергетической политике. И пока я не вижу никаких признаков ни того ни другого.
