Rand Corp. по заданию Национальной лаборатории энергетических технологий (National Energy Technology Laboratory, NETL) подготовила обзор угольной энергетики США. Обзор предназначается для использования NETL в качестве базы при разработке перспектив развития указанной отрасли. Эта задача осложняется рядом серьезных проблем, стоящих перед предприятиями угольной энергетики США, прежде всего, прогнозируемым на ближайшую перспективу невысоким спросом на угольные электростанции в США, как обычные, так и с использованием современных технологий.
В суммарном потреблении электроэнергии в США на долю угля в 2010 г. приходилось более 21%. В период с середины предыдущего столетия до 2010 г. ежегодное потребление угля в стране более чем удвоилось – примерно с 500 млн. т (в основном на промышленных предприятиях) до более чем 1 млрд. т, преимущественно на угольных электростанциях. В предыдущем столетии активному сооружению этих объектов в США способствовал растущий спрос на электроэнергию.
США располагают крупнейшими в мире запасами угля, его широкому использованию в качестве топлива для электростанций способствует легкость доставки угля железнодорожным и речным транспортом, а также высокая энергетическая плотность. В течение указанного периода в США для выработки электроэнергии быстро расширялось использование природного газа, в то же время в 2010 г. 93% потребления угля в стране предназначалось для сжигания на угольных электростанциях.
В конце 2010 г. суммарная мощность подключенных к национальной энергосистеме угольных ТЭС в США составляла 338 ГВт, т. е. 33% от общих энергетических мощностей в стране (около 1 тыс. ГВт). Доля электростанций, использующих природный газ, равнялась (%) 39, АЭС – 10, ГЭС – 8, мазут – 6, возобновляемые источники энергии (исключая ГЭС) – 4. В 2009 г. на долю угольных электростанций приходилось 45% общей выработки электроэнергии в США, в то время как для электростанций, использующих природный газ, данный показатель составлял примерно 23%.
В 1990-2009 гг. доля угольных электростанций в общей выработке электроэнергии в США уменьшилась с 52% до 45% (в 2010 г. – 46%), а доля электростанций, работающих на природном газе, увеличилась с 12% до 23%. Уровень цен на вырабатываемую электроэнергию определяется сочетанием различных факторов, однако в целом электроэнергия с угольных электростанций является более дорогой.
В США в конце 2010 г. насчитывалось 1158 угольных энергоблоков; единичная мощность электростанций колеблется от менее 50 МВт до примерно 1300 МВт. Основное место в угольной энергетике США занимают небольшие электростанции, причем в конце 2010 г. единичная мощность 475 электростанций составляла менее 150 МВт, в том числе у 200 – менее 50 МВт. Кроме того, на указанную дату американская угольная энергетика включала примерно по 100 электростанций единичной мощностью 300-450, 450-600 и 600-750 МВт. Новые объекты угольной энергетики в США, как правило, являются весьма мощными, однако потребность в малых угольных электростанциях сохранится и в перспективе.
Наибольшая активность в сооружении угольных электростанций в США наблюдалась в 1965-1985 гг., поэтому две трети действующих мощностей в США приходится на электростанции, срок службы которых составляет 25-45 лет. Такие энергетические объекты отличаются сравнительно высокими затратами на ремонт и техническое обслуживание и, как правило, часто не оснащены современными системами, снижающими выбросы вредных веществ в атмосферу.
В 1990-2009 гг. строительству угольных электростанций в США уделялось небольшое внимание, причем в 2010 г. ввод новых мощностей равнялся 6 ГВт (11 электростанций). В течение указанного периода электроэнергетические компании продлевали срок службы действующих угольных мощностей сверх расчетного, а вместо выводимых из эксплуатации предприятий сооружали электростанции, работающие на природном газе. Однако в связи с большим количеством действующих в стране угольных электростанций в обозримой перспективе угольная энергетика сохранит важное место в выработке электроэнергии в США.
Угольная энергетика является одним из основных источников загрязнения окружающей среды; американские угольные электростанции оснащаются системами для очистки дымовых отходящих газов от диоксида серы, оксидов азота, серы и твердых частиц. Следует отметить, что всеми необходимыми системами для предотвращения загрязнения окружающей среды в США располагают лишь новые угольные электростанции. В то же время почти 60% действующих электростанций (более 40% установленных мощностей) не имеют систем для очистки дымовых газов от диоксида серы.
В предыдущем десятилетии в Северной Америке и Европе наблюдался значительный рост индексов капитальных затрат на сооружение энергетических объектов (IHS CERA Power Capital Costs Index для Северной Америки и IHS CERA European Power Capital Costs Index для Европы), в том числе угольных, газовых и ветроэлектростанций, но исключая АЭС. Эти индексы отражают динамику затрат на оборудование, материалы, проектно-конструкторские и строительные работы, а также рабочую силу.
По данным Министерства энергетики США, в предыдущем десятилетии уровень капитальных затрат на сооружение 1 кВт мощности угольных электростанций в США почти удвоился; в 2007 г. данный показатель равнялся ($/кВт) 1327, 2008 г. – 1635, 2009 г. – 2145, 2010 г. – 2257, а в 2011 г., по оценке, достигнет 3167. По мнению экспертов, одним из важных факторов удорожания капитальных затрат, даже в условиях мирового финансово-экономического кризиса, является рост спроса на электроэнергию с угольных электростанций в КНР и Индии.
В угольной энергетике США используются три основные технологии сжигания угля. Доминирующее положение в отрасли занимают электростанции с факельным сжиганием угля, включающие системы пылеприготовления с шаровыми барабанными мельницами, которые обеспечивают размол угля до пылевидного состояния. На долю этой технологии приходится примерно две трети действующих и строящихся в США угольных электростанций. Главные минусы этой технологии – невозможность обеспечить полное сгорание угольно-воздушной смеси и высокий уровень выхода загрязняющих веществ в дымовых газах. Для их удаления, соответственно, необходимо устанавливать и обслуживать дорогостоящие системы очистки.
Второй технологией является сжигание угля в кипящем слое и, как ее разновидность, сжигание в циркулирующем кипящем слое (ЦКС). Главные преимущества ЦКС – хорошие экологические характеристики, достигаемые, в том числе, и за счет низких температур сгорания угля, возможность использовать широкий спектр угольного топлива вплоть до низкокалорийного бурого угля.
В кипящий слой вводят значительное количество инертных наполнителей, повышающих теплоотдачу (шлак, песок, доломит, известняк). Топливом могут служить уголь (в том числе в виде остатков в золе от низкоэффективных котлов), горючий сланец, торф, древесные и иные отходы. Лишь примерно 20% действующих и строящихся в США угольных электростанций используют эту технологию.
Большое внимание в США уделяется созданию экологически чистых угольных ТЭС. В предыдущем десятилетии одной из приоритетных для правительства Дж. Буша была программа FutureGen, направленная на разработку технологии экологически безвредного использования угля в качестве энергетического сырья. Планировалось, что реализация программы позволит вырабатывать электроэнергию без эмиссии диоксида углерода путем газификации угля и получения водорода. Углекислый газ, как побочный продукт процесса газификации, предполагалось закачивать глубоко под землю.
В январе 2008 г. в соответствии с решением Министерства энергетики США финансирование программы FutureGen прекращается, что, в частности, обусловлено ее резким удорожанием – в 2003 г. стоимость программы составляла $950 млн., а в 2008 г. – уже $1,8 млрд. Однако главная причина отказа от программы FutureGen заключается в появлении более эффективных коммерческих проектов, имеющих схожие задачи. Так, концерны General Electric и Siemens занимаются разработкой угольных электростанций комбинированного цикла с интегрированной газификацией угля (IGCC, Integrated Internal Gasification Combined Cycle).
IGCC является третьей основной и наиболее перспективной технологией в угольной энергетике США. В мире уже построено либо строится около 50 станций такого типа. В 2002 г. к эксплуатации с использованием технологии IGCC приступила американская компания Tampa Bay. В основном внедрение этой технологии сдерживается ее новизной, недостаточной надежностью, высокими капитальными и эксплуатационными затратами, а также необходимостью разработки турбин большой мощности, использующих в качестве топлива водород.
В технологии IGCC, так же как и на электростанциях, разрабатывавшихся в рамках программы FutureGen, происходит газификация угля, т. е. его нагрев до высокой температуры (более 1000 град. С) при недостатке кислорода. Нагрев приводит к выделению синтетического газа, содержащего оксид углерода и водород. Технология IGCC предполагает сжигание получившегося синтетического газа, при этом в продуктах сгорания содержится значительная концентрация углекислого газа. Благодаря тому, что его концентрация значительно выше, чем при традиционном сжигании угля в пылеугольном котле, проще улавливать его и связывать.
Технология IGCC имеет ряд неоспоримых преимуществ, в частности ее уже сегодня можно применять на действующих электростанциях с установленными газовыми турбинами. Расчеты показали, что стоимость угольной электростанции с использованием технологии IGCC мощностью 630 МВт, включая оборудование для улавливания и связывания углекислого газа, составляет $2,5 млрд., что на 27% дешевле установки FutureGen.
Согласно оценке, примерная структура затрат на сооружение в США обычной электростанции с факельным сжиганием угольной пыли с суперкритическими параметрами характеризуется следующими данными (%): система приготовления и подачи угля и сорбентов – 6, системы подачи воды – 10, паровой котел и устройства для улавливания оксидов азота – 35, системы очистки дымовых газов – 18, трубопроводы для дымовых газов и дымовая труба – 4, турбогенератор и вспомогательные устройства – 12, паровые трубопроводы – 5, система циркуляции охлаждающей воды – 3, система обработки отходов – 1, прочие расходы – 7.
Процесс сооружения новых угольных электростанций является весьма сложным и включает, в частности, составление проектной документации, а также изготовление и доставку всех необходимых компонентов с их последующей сборкой на месте установки. Разработка проектов новых угольных электростанций почти полностью осуществляется в США, а основные компоненты оборудования, прежде всего крупногабаритные, импортируются из других стран. Разработка и изготовление систем защиты окружающей среды для угольных электростанций выполняются в США, почти всегда американской является и рабочая сила, используемая на строительстве и монтаже этих объектов.
Во второй половине предыдущего столетия в угольной энергетике США произошли серьезные изменения – если в 1950-1960-е годы в стране вводилось в эксплуатацию большое число маломощных угольных электростанций, то в 1970-1980-е годы количество новых объектов резко сократилось при одновременном увеличении единичной мощности. В течение двух предыдущих десятилетий в США снижалось число новых угольных электростанций, как небольших, так и крупных, а в 2000-2010 гг. примерно у 20% этих объектов единичная мощность составляла менее 50 МВт.
В 2010 г. спрос на новые угольные электростанции в США оставался невысоким – в указанном году в стране завершено сооружение 11 станций. Их единичная мощность составляет 300-879 МВт, а суммарная – примерно 6 ГВт, причем около половины этих объектов имеет суперкритические характеристики.
В течение двух предыдущих десятилетий значительная активность наблюдалась в угольной энергетике Азии, особенно КНР, Индии и азиатских стран, не входящих в ОЭСР. С 1990 г. ежегодный ввод новых мощностей угольной энергетики в КНР превышал 10 ГВт, а рекордный показатель 2006 г. составил более 80 ГВт. Согласно одному из прогнозов, в 2015-2035 гг. установленные мощности мировой угольной энергетики вырастут на 800 ГВт, причем в КНР прирост составит 600, Индии – 50 и азиатских странах, не входящих в ОЭСР, – 90 ГВт.
Проектированием угольных электростанций в США занимаются крупные американские инжиниринговые компании, которые разрабатывают проекты крупных промышленных объектов. Ниже приводятся ежегодно публикуемые журналом Engineering News-Record данные об обороте 10 ведущих фирм (проектирование энергетических объектов, использующих ископаемое топливо, млн. $): Black and Veatch – 358, Kiewit Corp. – 192, Fluor Corp. – 180, Burns and McDonnel – 171, AECOM Technology Corp. – 145, CH2M Hill – 143, Bechtel – 138, Zachry Holdings – 134, URS Corp. – 134, KBR – 130.
Инжиниринговые компании разрабатывают проекты новых угольных электростанций в тесном взаимодействии с фирмами – поставщиками основного оборудования. Разработка проектов осуществляется не только для американских, но и для заказчиков из других стран, что способствует увеличению объема продаж и укрепляет позиции инжиниринговых компаний в периоды слабого спроса на американском рынке.
Выпуск компонентов для американских угольных электростанций осуществляется в других странах, преимущественно в Азии. Данное обстоятельство обусловлено, в частности, стремлением размещать производственные мощности в непосредственной близости от главных источников спроса (к которым не относятся США), возможностью снижения производственных затрат за счет использования более дешевой рабочей силы и нехваткой необходимых производственных мощностей в США.
Наличие на рынке компонентов для угольных электростанций не одного, а нескольких поставщиков одинаковой продукции способствует поддержанию острой конкурентной борьбы (потенциальный заказчик всегда имеет возможность выбора), сдерживает рост цен и стимулирует технические инновации. Лидирующие позиции на рынке занимают компании, которые выпускают сразу несколько компонентов угольных электростанций, – к таким компаниям, прежде всего, относятся ABB, Alstom, Babcock and Wilcox и Foster and Wheeler.
Во второй половине предыдущего столетия вследствие бурного роста угольной энергетики США в отрасли происходят серьезные изменения. До 1960 г. на американском рынке насчитывалось десять фирм – поставщиков паровых котлов, причем более 90% котлов на действовавших в США угольных электростанциях приходилось на долю трех компаний – Combustion Engineering, Babcock and Wilcox и Foster and Wheeler.
Во втором десятилетии текущего столетия общее число поставщиков резко сократилось, а состав ведущей тройки остался неизменным, кроме Alstom (вместо Combustion Engineering). Эта фирма первоначально вошла в состав ABB, затем создала СП по выпуску паровых котлов с Combustion Engineering, а затем выкупила свою долю. На рынке появилась крупная группа Metso, в состав которой вошли котлостроительные отделения Keeler Dorr Oliver, Tampella и Kvaerner. Кроме того, поставки паровых котлов для угольных ТЭС в США быстро расширяют японские фирмы Hitachi, IHI, а также южнокорейская Doosan.
Согласно оценке, общие затраты на сооружение угольной ТЭС в США включают (в % от общей суммы) расходы на оборудование (48), материалы (5), наем рабочей силы (28), оплату проектных и строительных работ и непредвиденных расходов (11). По расчетам Национальной энергетической технологической лаборатории NETL (National Energy Technology Laboratory), в 2010 г. удельные затраты на сооружение в США новой угольной ТЭС (факельное сжигание угля) с сверхкритическими параметрами составляли $1647/кВт. Согласно другой оценке (EIA, Energy Information Administration), удельные затраты на сооружение угольной ТЭС с одним энергоблоком в 2010 г. оценивались в $3167/кВт, а для ТЭС с двумя энергоблоками – в $2844/кВт.
Весьма актуальной для угольной энергетики США является проблема технического обслуживания и ремонта, причем на многих ТЭС специалисты соответствующих профессий присутствуют в качестве постоянного персонала. Как правило, особенно остро потребность в таких специалистах ощущается на более старых и крупных электростанциях.
Большинство действующих в США угольных электростанций вступили в строй в 1965-1987 гг., т. е. срок их службы составляет от 25 до 45 лет. Ежегодный объем продаж на американском рынке услуг по техническому обслуживанию и ремонту действующих угольных электростанций оценивается в $9,7 млрд., на эту сферу приходится значительная часть наиболее квалифицированных специалистов в угольной энергетике США. Важным компонентом угольной энергетики США является национальный рынок систем защиты окружающей среды, ежегодные продажи которых в стране оцениваются примерно в $5 млрд. Необходимо, однако, учитывать, что 60% действующих в стране угольных электростанций общей мощностью около 140 ГВт (40% установленных мощностей) не имеют систем десульфуризации дымовых газов. Кроме того, у 65% ТЭС (50% установленных мощностей) отсутствуют системы очистки дымовых газов от оксидов азота (SCR, SNCR).
В отличие от большинства видов оборудования для угольных электростанций, поставляемых иностранными фирмами, в США продолжается выпуск систем защиты окружающей среды для угольной энергетики, которые пользуются устойчивым и постоянно растущим спросом. Большинство используемых на угольных электростанциях природоохранных технологий являются уникальными, а необходимый уровень защиты значительно превышает уровень, существующий в других отраслях.
В США существует широкий комплекс природоохранных норм для угольной энергетики, основу которого составляет Закон о чистом воздухе (Clean Air Act) с поправками, принятыми соответственно в 1963 г. и 1990 г. В начале текущего десятилетия для угольных электростанций в США действовали нормы по выбросам оксидов азота и диоксида серы, а также твердых частиц. Согласно действующему экологическому законодательству, новые угольные электростанции в США должны обязательно оснащаться наилучшими из имеющихся на рынке природоохранными технологиями.
Экологическое законодательство является весьма динамичной сферой и характеризуется непрерывным ужесточением действующих, а также появлением новых природоохранных норм. На долю угольных электростанций приходится примерно 80% суммарных выбросов диоксида углерода энергетическими предприятиями США и 25% общенациональных выбросов парниковых газов.
Снижения выбросов диоксида углерода можно добиться посредством повышения эффективности сжигания угля, перехода на комбинированный цикл с выработкой электрической и тепловой энергии, внедрения систем улавливания и хранения диоксида углерода или расширения использования технологии IGCC. Решение этой задачи является важным направлением НИОКР в угольной энергетике США.
Анализу потенциальных последствий ужесточения природоохранных норм для угольных электростанций в США уделяется серьезное внимание. Как правило, электроэнергетические компании оказываются перед выбором – провести модернизацию угольной электростанции или закрыть ее с учетом возможного создания в перспективе электростанций, использующих природный газ или возобновляемые источники энергии.
Согласно прогнозу группы экспертов, ужесточение норм выбросов оксидов азота и диоксида серы приведет к выводу из эксплуатации до 55 ГВт установленных мощностей угольной энергетики США, а их замена с целью создания новых мощностей потребует $70-130 млрд. Wood Mackenzie считает, что в текущем десятилетии вывод из эксплуатации угольных электростанций в США может достигнуть 60 ГВт. В связи с появлением новых стандартов на содержание паров ртути в дымовых газах удельные капитальные затраты на 1 кВт оцениваются примерно в $100, т. е. модернизация угольной электростанции мощностью 600 МВт потребует $60 млн. По оценке компании Bernstein Research, затраты на установку скрубберов для действующих угольных электростанций сильно колеблются и для электростанции мощностью 50 МВт составляют ($/кВт мощности) 1137, 400 МВт – 470 и 1000 МВт – 357. (БИКИ/Машиностроение Украины, СНГ, мира)