Принцип, лежащий в основе работы тепловых электростанций, остаётся неизменным с восьмидесятых годов XIX века, когда первые энергоисточники такого типа появились в США и России. «На них обычным образом сжигают уголь: образно говоря, берут лопату, кидают в топку, смотрят на чёрный дым, отгребают золу и только в качестве побочного продукта сгорания на выходе получают тепло и электричество», – рассказывает заместитель директора по внедрению и заведующий лабораторией «Угольные энерготехнологии» СКБТ «Наука» КНЦ СО РАН Сергей Баякин, который возглавляет ООО «АкТерм» – компанию-резидента фонда «Сколково» в кластере энергоэффективных технологий. Как следствие, КПД традиционных угольных станций относительно невысок: для ТЭЦ, вырабатывающих тепловую и электрическую энергию по отдельности, он составляет около 50%. Конечно, существуют решения, позволяющие его повысить, но их цена зачастую настолько высока, что применять их не целесообразно с экономической точки зрения. К тому же генерация на традиционном ископаемом топливе негативно влияет на окружающую среду: помимо выбросов в атмосферу, пусть и сниженных до минимума благодаря современным дорогостоящим «зелёным» технологиям, существует проблема образования золошлаковых отходов, которую частично удаётся решить за счёт их переработки или использования в строительной индустрии. 

Углерод в остатке

Задачу по «очистке» угольной энергетики пытаются решить во всём мире. Подобные исследования, к примеру, проводятся в странах Евросоюза. А в США в 2008 году была создана Американская коалиция за чистое угольное электричество, в которую наравне с предприятиями энергетики и машиностроения входят научно-исследовательские институты. Работы в этой области проводились и во времена существования СССР, например, в восьмидесятые годы ими занимались в КАТЭКНИИугле. Выходцы из специализированного советского НИИ продолжили свои исследования в институтах Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук и академических вузах. Главный инициатор и двигатель идеи – генеральный директор энерготехнологической компании «Сибтермо» Сергей Исламов – в 2010 году защитил докторскую диссертацию, посвящённую энергоэффективному использованию бурых углей на основе технологии «Термококс». В разработке последней непосредственное участие принимает и его соавтор и коллега – Сергей Степанов, доктор технических наук. Оба являются сотрудниками СКТБ «Наука» и соучредителями ООО «АкТерм».

«Сергей Романович и Сергей Григорьевич – идеологи концепции, я эту идею подхватил чуть позже, – отмечает Баякин. – Мы научились разделять уголь на два компонента: горючий газ, в котором содержится 20% водорода, и углеродный остаток». Такой результат достигается за счёт использования эффекта обратной термической волны при газификации угля. В упрощённом виде его суть заключается в том, что в шахту специального аппарата засыпают уголь и зажигают его сверху, а снизу подаётся воздух, при этом фронт горения смещается не по ходу дутья, а против воздушного потока. В итоге получается горючий газ, который содержит в себе водород и угарный газ, но при этом не имеет в своём составе смол и бензопиренов, второй продукт – среднетемпературный кокс или сорбент.

Первый компонент можно использовать в качестве топлива для газопоршневых электростанций или турбин, вырабатывающих одновременно тепловую и электрическую энергию. С тем же успехом газ в одном из проектов на территории Красноярского края применяется в сушилке зерна, принадлежащей ОАО «Балахтинский хлеб». Среднетемпературный кокс, получаемый как из бурого, так и из каменного угля, в свою очередь, востребован в качестве сырья для металлургии. «Он уже прошёл все экспертизы, необходимые для использования на ферросплавных заводах, – подчёркивает собеседник «Сибирского энергетика». – Но есть одна сложность: металлургам нужны определённые объёмы кокса, от 100 тыс. тонн и выше, тогда как та же построенная по совместному проекту «Сибтермо» и «СУЭК» станция в Шарыпово выдаёт лишь 20 тыс. тонн кокса в год». 

Однако при широкомасштабном внедрении технологии, разработанной красноярскими учёными, эта проблема отпадёт сама собой. При этом плюсы «Термококса» очевидны. В первую очередь, это существенно меньшее негативное воздействие на природу по сравнению с традиционным сжиганием угля. Так, удельные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу на единицу тепловой энергии при использовании высвободившегося газа составляют лишь 0,3-0,35 кг/Гкал. Для сравнения: при получении одной гигакалории из обычного угля в воздух поступает 8–10 кг вредных химических соединений. Простая арифметика показывает, что разница достигает 25–30 раз. «Золошлаковые отходы не образуются вовсе, – добавляет замдиректора СКТБ «Наука». – Зола по большей части состоит из окиси железа, которая в данном случае уходит вместе с коксом». Кроме того, нет стоков золоудаления. Безусловны и экономические бонусы: при том, что рыночная цена угольного кокса составляет около 400 долларов за тонну, его себестоимость при использовании новой технологии может быть нулевой – заработок собственнику станции обеспечивает продажа тепла и электричества, тогда как ценный углеродный остаток является побочным, но очень дорогим продуктом генерации энергии. 

Из России в Монголию и обратно

Очевидно, из соображений снижения нагрузки на окружающую среду исходили те, кто решил модернизировать Улан-Баторскую ТЭЦ-2 по технологии «Термококс» и перевести часть её котлов на использование буроугольного газа вместо традиционного угля. Дело в том, что столица Монголии расположена в котловине, и в городе скапливается смог от выбросов угольных станций, автомобилей и печей, используемых в юрточных кварталах, что могут в полной мере ощутить на себе те, кому довелось побывать там зимой. Поэтому было решено, с одной стороны, использовать в котлах ТЭЦ-2 газ, получаемый по технологии «Термококс-КС» (она предполагает неполную газификацию угля воздухом в кипящем слое), а с другой – производить из углеродного остатка бездымные брикеты, которые используются в качестве бытового топлива. Демонстрационная установка, созданная по контракту ЭТК «Сибтермо» с Министерством энергетики Монголии, заработала в 2008 году. В настоящее время проект по техническому перевооружению Улан-Баторской ТЭЦ-2 близок к завершению. Когда он будет реализован в полной мере, на теплоэлектроцентрали смогут производить до 210 тыс. тонн бездымных брикетов в год. 

Между тем в России технологию красноярских учёных начали применять ещё раньше. Так, с 1996 года в Красноярске работает небольшой завод по производству углеродных сорбентов и газа энергетического назначения. На нём применяется технология «Термококс-С». А на котельной Берёзовского разреза в Шарыпово с 2007 года работает котёл КВТС-20, модернизированный под производство мелкозернистого буроугольного кокса без потери паспортной тепловой мощности по технологии «Термококс-КС». Помимо этого разработку Исламова и его коллег планируется применить на котельных города Ужура и посёлка Шушенское Красноярского края. Существует также проект энерготехнологического комплекса на базе котла мощностью 100 Гкал/ч ТЭЦ-3 Красноярска, на котором параллельно с тепловой энергией производилось бы до 120 тыс. тонн кокса в год. 

«Интерес [к технологии] у российских и зарубежных инвесторов есть, – резюмирует Баякин. – С некоторыми из них мы уже делаем интересные проекты. Но пока широкому применению «Термококса» мешает человеческий фактор – недоверие со стороны тех, кто принимает решения о судьбе отрасли. В апреле этого года Правительством РФ принята Государственная программа «Энергоэффективность и развитие энергетики» с колоссальным бюджетом в 27 триллионов рублей, где в разделе угольной энергетики на странице 84 однозначно прописаны все наши идеи, включая эффективное получение водорода. Будем надеяться, что сейчас в нашей стране это дело сдвинется с мёртвой точки».