Станом на 2021 рік українські вугільні ТЕС виробляли близько чверті електроенергії країни. Усі ці електростанції були побудовані до 1977 року. Жодна з них не була оснащена обладнанням із видалення сірки та сполук азоту, водночас більшість працювали без справних пилових фільтрів. Додайте сюди ще викиди парникових газів, які пришвидшують невідворотну зміну клімату. Кожна кіловат-година електроенергії, вироблена на вугільних ТЕС, – це 1 кг викидів парникових газів в атмосферу (в еквіваленті СО2), що є найгіршим показником серед усіх видів генерації.
То чому ж ці станції досі не закриті, спитаєте ви?
Відповідь на це питання має декілька складових. По-перше, більшість українських вугільних ТЕС належать до бізнес-імперії Ріната Ахметова. Тривалий час його вплив на вітчизняний політикум забезпечував недоторканність його активів. Та і зараз ми бачимо серйозний вплив його лобі на деякі рішення уряду і парламенту. По-друге, виведення з експлуатації вугільних ТЕС потребує заміщення цих генеруючих потужностей іншими. З урахуванням ураження російськими обстрілами енергетичних об’єктів (серед яких є і вугільні ТЕС) завдання не таке вже й просте.
Але чи не найвагомішим наразі фактором є наступний – вугільна генерація є маневровою. Оскільки енергоблоки вугільних ТЕС можна відносно швидко запустити та зупинити, вони компенсують дефіцит електроенергії в години пікового споживання. Цього не можуть зробити наявні енергоблоки АЕС, які генерують левову частку електроенергії в Україні навіть під час війни та окупації Запорізької АЕС. Їхня робота стабільна і не передбачає різких змін потужності. А такі відновлювані джерела енергії, як сонячна і вітрова генерація, не передбачають довільного вмикання і вимикання взагалі.
То чим замінити вугілля саме в контексті маневрових потужностей? Далі поговоримо про альтернативні варіанти та їхні переваги й недоліки.
Альтернативи “маневровому” вугіллю
Серед варіантів заміни маневрових вугільних ТЕС найчастіше фігурують:
- газопоршневі установки
- газотурбінні ТЕС
- біогаз
- водень
- гідроелектростанції
- модульні атомні електростанції
Розглянемо кожен із цих видів генерації щодо їхньої спроможності забезпечити маневрові потужності енергосистеми. А також – екологічну безпеку й ступінь актуальності впровадження тієї чи іншої технології для України.
Газотурбінні ТЕС
Принцип роботи газотурбінної ТЕС приблизно той самий, що й у турбореактивного двигуна літака. Струмінь розпечених газів, який утворюється під час спалювання природного газу, обертає лопаті турбіни, а та генерує електричний струм. Зрозуміло, що ККД такої установки невисокий, якщо потік розпеченого газу з енергоблока просто віддає своє тепло атмосфері. Тому задля підвищення енергоефективності цим потоком нагрівають ще якийсь теплоносій, який потім використовується для опалення помешкань або ж для додаткової генерації електроенергії. Потужність енергоблоків газотурбінних ТЕС варіюється від 50 МВт до 340 МВт на одну установку, що є доволі суттєвим показником для балансування пікових навантажень енергосистеми. Наприклад, на українських вугільних ТЕС часто маневрують енергоблоки потужністю 150 МВт.
До речі, Україна вже має досвід виготовлення й експлуатації подібних агрегатів, щоправда, у форматі мобільних мініелектростанцій. “У нас є такі станції українського виробництва. Більше того, вони вже встановлені, зараз відновлюють їх роботу. Ті, які вироблені, ми забираємо зі складів і теж встановлюємо”, – зазначав у грудні 2022 року Прем’єр-міністр Денис Шмигаль. Також повідомлялося, що у лютому 2023 року Агентство США з міжнародного розвитку (USAID) передало уряду України компактну мобільну газотурбінну електростанцію потужністю 28 МВт.
Чи може ця технологія бути маневровою?
Головна особливість газових маневрових потужностей – у їхній здатності швидко запускатися, швидко зупинятися і працювати при часткових навантаженнях. Щоб розігнатися і почати генерувати електроенергію, газотурбінним системам потрібно від 18 хвилин до 1,5-2 годин. Важливо і те, що такі агрегати можна запустити навіть в умовах, коли мережа втратила потужність. Це допомагає відновлювати можливості енергосистеми, наприклад, після аварій. Для енергетиків цей момент є дуже вагомим аргументом, особливо в умовах російської агресії.
До переваг газотурбінних ТЕС також відносять їх невисокий кошторис будівництва і надійність систем під час експлуатації.
Чи допоможе технологія знизити викиди (і не лише СО2)?
При спалюванні природного газу утворюються пів кілограма парникових газів (в еквіваленті СО2) на кіловат-годину виробленої електроенергії. Якщо порівнювати з викидами вугільних ТЕС, то це вдвічі менше. Але у порівнянні з іншими видами генерації – на порядок більше.
Крім того, при спалюванні природного газу в установках спалювання утворюються оксиди азоту NOХ (оксид азоту NO та діоксид азоту NO2), які призводять до зниження опірності організму людини, кисневого голодування тканин, особливо у дітей, а також подразнюють слизові оболонки. А накопичення сполук азоту в ґрунтах, призводить до зниження їх родючості.
За таких умов газотурбінні ТЕС мають право на життя тільки як маневрові. Тобто вони мають вмикатися при пікових навантаженнях і повністю вимикатися в період низького споживання енергії. Але чи будуть вони рентабельними в такому режимі роботи? Це складне запитання, яке залежить зокрема від вартості “пікової” електроенергії, вартості природного газу і величини “вуглецевого” податку.
На нинішньому етапі з точки зору енергетиків плюси цієї технології переважають її мінуси – все одно це краще, ніж вугілля. З іншого боку, розрахунок на газотурбінні ТЕС може стати “короткозорим” рішенням, і після проблеми “чим замінити вугілля” ми швидко перейдемо до проблеми “чим замінити газ”. Нагадаємо, що в грудні 2023 на міжнародній кліматичній конференції СОР28 було ухвалено угоду про поступову відмову від викопного палива в енергетичних системах. А природний газ – це викопне паливо.
Газопоршневі установки
Якщо газотурбінна установка – це аналог турбореактивного двигуна літака, то газопоршнева – це аналог двигуна внутрішнього згоряння автомобіля, який працює на природному газі. Співвідношення потужності теж приблизно таке саме. Поршневі двигуни здебільшого мають меншу потужність, ніж газові турбіни, і на них припадає відносно невелика частка газових електростанцій.
Станом на листопад 2018 року середня потужність газопоршневого генераторного агрегата становила 4 МВт проти 56 МВт для газових турбін. Але останніми роками в США були встановлені великі агрегати потужністю від 16 МВт до 19 МВт. Зазвичай на одному майданчику встановлюється кілька таких двигунів. Найбільшим із цих об’єктів є енергетичний центр Дентон, введений в експлуатацію у липні 2018 року у передмісті міста Даллас, штат Техас, що має дванадцять газопоршневих двигунів по 18,8 МВт та загальну потужність станції 225 МВт.
Електростанції з великими поршневими двигунами часто розміщуються в штатах зі значними поновлюваними ресурсами, зокрема з генерацією вітру. У Техасі, який має найбільшу потужність вітрової генерації в країні, встановлено 910 МВт газопоршневих двигунів. Це майже як потужність одного блоку Хмельницької АЕС.
Перевагою газопоршневих електростанцій є їхня здатність виробляти як електрику, так і тепло для обігріву. А ще – відносно невеликі розміри, залежно від ємності блока. Їх доволі просто інтегрувати, наприклад, у енергосистему міста для постачання електроенергії до житлових будинків, лікарень, шкіл, об’єктів критичної інфраструктури. Корисним може бути і те, що технологія варіативна з точки зору використання різних видів палива. Це може бути природний газ, рідкі види палива, промислове або побутове сміття як сировина для синтетичного палива.
Чи може ця технологія бути маневровою?
Газопоршневим системам потрібно від кількох секунд до 3 хвилин для початку повноцінного генерування електроенергії. Це їхня величезна перевага для маневрування. Але їхня порівняно невелика потужність дозволяє розглядати їх швидше як елемент розподіленої генерації (тобто як рішення в локальному масштабі, а не в масштабі національної енергосистеми), що буде найкращим рішенням для окремих міст, особливо в умовах воєнних загроз для енергосистеми України.
Чи допоможе технологія знизити викиди (і не лише СО2)?
Оскільки в основі роботи системи лежить спалювання природного газу, то газопоршневих установок стосується все те саме, що і газотурбінних. Крім того, в конструкції газопоршневих систем є циліндри і поршні, а значить там є і мастило, яке при горінні призводить до утворення додаткових шкідливих викидів. Це є мінусом газопоршневих установок, навіть порівняно з недружніми до довкілля газотурбінними.
Водночас деякі виробники двигунів, які використовуються у газопоршневих агрегатах, повідомляють про успіхи у зменшенні викидів оксидів азоту (NOХ). Але всі ці заяви слід ретельно перевіряти до прийняття рішення про придбання й встановлення.
Біогаз
Сировиною для вироблення біогазу можуть бути:
- побічні продукти тваринного походження;
- спеціально вирощений силос кукурудзи;
- пожнивні рештки (солома пшениці, жита, ячменю, стебла соняшнику, ріпак, соя, ботвиння буряків);
- побічні продукти харчової промисловості (жом, меляса, барда, дробина, лушпиння);
- осади стічних вод (комунальні очисні споруди);
- тверді побутові відходи (органічна фракція).
Сировину завантажують у спеціальні резервуари і додають певні культури бактерій. У результаті так званого “метанового бродіння” утворюється суміш газів – біогаз. Переважає у цій суміші метан – від 55 до 75%, також міститься вуглекислий газ та невеликі домішки інших газів. Якщо певним чином обробити біогаз, то він перетвориться на біометан – це майже на 100% метан, який не відрізняється від природного газу, тому його можна транспортувати та використовувати таким же чином.
У країнах ЄС (Німеччина, Італія, Франція, Нідерланди, Данія, Великобританія) відбувається досить інтенсивний розвиток виробництва біометану. Проте в Україні цей напрям ще не дуже популярний. На кінець I півріччя 2021 року в Україні функціонували 54 біогазових установки, а їхня загальна потужність сягала лишень 111 МВт.
Чи може ця технологія бути маневровою?
Через схожість хімічного складу на природний газ, біометан може виробляти електроенергію у періоди пікового навантаження в тих самих газотурбінних чи газопоршневих установках.
Чи допоможе технологія знизити викиди (і не лише СО2)?
Під час спалювання біометану маємо аналогічні викиди, що і під час спалювання природного газу. Принципова різниця полягає у тому, що СО2, який вивільняється в атмосферу під час горіння біометану, перед тим був вилучений з атмосфери рослинами в період їхнього росту. Тому в сумі отримуємо вуглецево нейтральне джерело енергії (це дещо спрощене пояснення, але загалом сума всіх викидів парникових газів урівноважується сумою поглинутого з атмосфери вуглецю або ж викидів, яким вдалося запобігти).
Але біогаз має потенційний мінус, який не стосується викидів. Якщо генерація такої енергії стане більш розповсюдженою, то отримання сировини для цього може значно прискорити темпи знищення біорізноманіття. Наприклад, ми зіткнемося з необхідністю збільшення посівів рослин, необхідних для створення біопалива. Проте, виробництво біогазу з уже наявних відходів не має таких проблем, більше того – це певною мірою вирішує проблеми окремих категорій відходів. Питання тільки в досяжних обсягах генерації. В наявних обсягах, без додаткового вирощування сировини, біогазові установки чудово підходять для окремих приватних господарств та невеличких сіл. Але навряд чи здатні розв’язати проблему маневрової генерації в національній енергосистемі. Остаточна відповідь потребує додаткових розрахунків.
(продовження статті читайте тут)
Ця публікація створена за фінансової підтримки Європейського Союзу в рамках проєкту EMITTER. ЇЇ зміст є винятково відповідальністю ГО SaveDnipro і не обов’язково відображає погляди Європейського Союзу.