Угольная электростанция или угольная электростанция — это тепловая электростанция , которая сжигает уголь для выработки электроэнергии . Во всем мире насчитывается более 2400 угольных электростанций общей мощностью более 2130 гигаватт . [1] Они вырабатывают около трети электроэнергии в мире , [2] но являются причиной многих болезней и самых ранних смертей, [3] в основном из-за загрязнения воздуха . [4] [5] Мировая установленная мощность удвоилась с 2000 по 2023 год и увеличилась на 2% в 2023 году. [6]
Угольная электростанция — это тип электростанции, работающей на ископаемом топливе . Уголь обычно измельчается , а затем сжигается в пылеугольном котле . Тепло печи преобразует котельную воду в пар , который затем используется для вращения турбин , которые вращают генераторы . Таким образом, химическая энергия, хранящаяся в угле, последовательно преобразуется в тепловую энергию , механическую энергию и, наконец, в электрическую энергию .
Угольные электростанции выбрасывают более 10 миллиардов тонн углекислого газа в год [7], что составляет около одной пятой мировых выбросов парниковых газов , поэтому они являются крупнейшей причиной изменения климата . [8] Более половины всей электроэнергии, вырабатываемой на угле в мире, вырабатывается в Китае. [9] В 2020 году общее количество электростанций начало сокращаться [10] [11], поскольку они выводятся из эксплуатации в Европе [12] и Америке [13], хотя в Азии они все еще строятся, почти все в Китае. [14] Некоторые из них остаются прибыльными, поскольку расходы для других людей из-за воздействия угольной промышленности на здоровье и окружающую среду не включены в стоимость генерации, [15] [16] но существует риск, что новые электростанции могут стать бесполезными активами . [17] Генеральный секретарь ООН заявил , что страны ОЭСР должны прекратить производство электроэнергии из угля к 2030 году, а остальной мир — к 2040 году. [18] Вьетнам входит в число немногих быстроразвивающихся стран, зависящих от угля, которые полностью обязались поэтапно отказаться от угольной энергетики к 2040-м годам или как можно скорее после этого. [19]
Первые угольные электростанции были построены в конце 19 века и использовали поршневые двигатели для генерации постоянного тока . Паровые турбины позволили построить гораздо более крупные станции в начале 20 века, а переменный ток использовался для обслуживания более широких территорий.
Уголь доставляется автодорожным грузовиком, железной дорогой , баржей , угольщиком или угольным пульпопроводом . Электростанции иногда строятся рядом с шахтой; особенно та, которая добывает уголь, такой как лигнит , который недостаточно ценен для транспортировки на большие расстояния; поэтому они могут получать уголь с помощью конвейерной ленты или огромных дизель-электрических грузовиков . Большой угольный поезд, называемый «единичным поездом», может быть длиной 2 км, содержать 130-140 вагонов с примерно 100 тоннами угля в каждом, для общей загрузки более 10 000 тонн. Крупному заводу при полной загрузке требуется по крайней мере одна поставка угля такого размера каждый день. Заводы могут получать до трех-пяти поездов в день, особенно в «пиковый сезон» в самые жаркие летние или самые холодные зимние месяцы (в зависимости от местного климата), когда потребление электроэнергии высокое.
Современные разгрузчики используют поворотные устройства разгрузки, которые устраняют проблемы с замерзанием угля в вагонах с нижней разгрузкой. Разгрузчик включает в себя рычаг позиционирования поезда, который тянет весь поезд, чтобы расположить каждый вагон над угольным бункером. Разгрузчик зажимает отдельный вагон на платформе, которая поворачивает вагон вверх дном, чтобы разгрузить уголь. Поворотные сцепки позволяют выполнять всю операцию, пока вагоны все еще сцеплены вместе. Разгрузка единичного поезда занимает около трех часов.
Более короткие поезда могут использовать вагоны с «воздушной разгрузкой», которая опирается на давление воздуха от двигателя и «горячий башмак» на каждом вагоне. Этот «горячий башмак», когда он вступает в контакт с «горячим рельсом» на разгрузочной эстакаде, стреляет электрическим зарядом через аппарат воздушной разгрузки и заставляет двери в нижней части вагона открываться, выгружая уголь через отверстие в эстакаде. Разгрузка одного из таких поездов занимает от часа до полутора часов. Старые разгрузчики все еще могут использовать управляемые вручную железнодорожные вагоны с нижней разгрузкой и «трясучку», прикрепленную для выгрузки угля.
Угольник (грузовое судно, перевозящее уголь) может вмещать 41 000 тонн (40 000 длинных тонн) угля, и его разгрузка занимает несколько дней. Некоторые угольные суда имеют собственное транспортное оборудование для разгрузки собственных бункеров; другие зависят от оборудования на заводе. Для транспортировки угля в более спокойных водах, таких как реки и озера, часто используются плоскодонные баржи . Баржи обычно не имеют двигателя и должны перемещаться буксирами или буксирными судами .
Для запуска или вспомогательных целей завод может также использовать мазут. Мазут может доставляться на заводы по трубопроводу , танкером , автоцистерной или грузовиком. Нефть хранится в вертикальных цилиндрических стальных резервуарах емкостью до 14 000 кубических метров (90 000 баррелей). Более тяжелые виды топлива № 5 «бункерное» и № 6 обычно нагреваются паром перед закачкой в холодном климате.
Как тип тепловой электростанции , угольная электростанция последовательно преобразует химическую энергию, хранящуюся в угле, в тепловую энергию , механическую энергию и, наконец, в электрическую энергию . Уголь обычно измельчается , а затем сжигается в пылеугольном котле . Тепло от горящего пылевидного угля преобразует котельную воду в пар , который затем используется для вращения турбин , которые вращают генераторы . По сравнению с тепловой электростанцией, сжигающей другие виды топлива, требуется специфическая для угля переработка топлива и утилизация золы.
Для блоков мощностью более 200 МВт резервирование ключевых компонентов обеспечивается путем установки дубликатов нагнетательных и вытяжных вентиляторов, воздухоподогревателей и золоуловителей. На некоторых блоках мощностью около 60 МВт вместо этого может быть установлено два котла на блок. Сотня крупнейших угольных электростанций имеет мощность от 3000 МВт до 6700 МВт.
Уголь подготавливается к использованию путем дробления необработанного угля до кусков размером менее 5 см (2 дюйма). Затем уголь транспортируется со склада в силосы внутри завода конвейерными лентами со скоростью до 4000 тонн в час.
На заводах, сжигающих пылевидный уголь, силосы подают уголь в пульверизаторы (угольные мельницы), которые берут более крупные куски размером 5 см, измельчают их до консистенции талька , сортируют их и смешивают с первичным воздухом для горения, который транспортирует уголь в топку котла и предварительно нагревает уголь, чтобы удалить избыточную влагу. Электростанция мощностью 500 МВт может иметь шесть таких пульверизаторов, пять из которых могут подавать уголь в топку со скоростью 250 тонн в час при полной нагрузке.
На заводах, где не сжигается пылевидный уголь, более крупные куски размером 5 см могут напрямую подаваться в силосы, откуда они затем поступают либо в механические распределители, которые сбрасывают уголь на движущуюся решетку, либо в циклонные горелки — особый вид камеры сгорания, способный эффективно сжигать более крупные куски топлива.
Установки, предназначенные для лигнита (бурого угля), используются в таких разных местах, как Германия, Виктория, Австралия и Северная Дакота . Лигнит — гораздо более молодая форма угля, чем черный уголь. Он имеет более низкую плотность энергии, чем черный уголь, и требует гораздо большей печи для эквивалентной тепловой мощности. Такие угли могут содержать до 70% воды и золы , что обеспечивает более низкие температуры в печи и требует более крупных вентиляторов с принудительной тягой. Системы сжигания также отличаются от черного угля и обычно забирают горячий газ с уровня выхода из печи и смешивают его с поступающим углем в мельницах вентиляторного типа, которые впрыскивают смесь пылевидного угля и горячего газа в котел.
Зола часто хранится в зольных прудах . Хотя использование зольных прудов в сочетании с контролем загрязнения воздуха (например, мокрыми скрубберами ) снижает количество загрязняющих веществ в воздухе, эти сооружения представляют серьезную опасность для здоровья окружающей среды. [20] Энергетические компании часто строили пруды без облицовки , особенно в Соединенных Штатах, и поэтому химические вещества в золе могут выщелачиваться в грунтовые и поверхностные воды. [21]
С 1990-х годов энергетические компании США проектировали многие из своих новых заводов с системами обработки сухой золы. Сухая зола утилизируется на свалках, которые обычно включают в себя подкладки и системы мониторинга грунтовых вод. [22] Сухая зола также может быть переработана в такие продукты, как бетон, структурные наполнители для строительства дорог и цементный раствор. [23]
Летучая зола улавливается и удаляется из дымовых газов электростатическими осадителями или тканевыми рукавными фильтрами (иногда и тем и другим), расположенными на выходе из печи и перед вытяжным вентилятором. Летучая зола периодически удаляется из сборных бункеров под осадителями или рукавными фильтрами. Как правило, летучая зола пневматически транспортируется в силосы для хранения и хранится на месте в золоотстойниках или перевозится грузовиками или железнодорожными вагонами на свалки .
Внизу печи находится бункер для сбора зольного остатка . Этот бункер заполнен водой для гашения золы и шлака, падающего из печи. Предусмотрены устройства для дробления клинкера и транспортировки измельченного клинкера и зольного остатка в зольные пруды на месте или за его пределами на свалки. Золоуловители используются для удаления золы из котлов, работающих на твердых бытовых отходах.
Хорошо продуманная энергетическая политика , энергетическое законодательство и рынок электроэнергии имеют решающее значение для гибкости. [24] Хотя технически гибкость некоторых угольных электростанций может быть улучшена, они в меньшей степени способны обеспечить диспетчерскую генерацию , чем большинство газовых электростанций . Наиболее важной гибкостью является низкая минимальная нагрузка; [25] однако, некоторые улучшения гибкости могут быть более дорогими, чем возобновляемая энергия с батареями . [26]
По состоянию на 2020 год [обновлять]две трети сжигаемого угля используется для выработки электроэнергии. [11] В 2020 году уголь был крупнейшим источником электроэнергии — 34%. [27] Более половины выработки угля в 2020 году приходилось на Китай. [27] Около 60% электроэнергии в Китае, Индии и Индонезии производится из угля. [2]
В 2020 году во всем мире эксплуатировалось 2059 ГВт угольной энергетики, 50 ГВт было введено в эксплуатацию, а 25 ГВт было начато строительство (большинство из этих трех в Китае); и 38 ГВт были выведены из эксплуатации (в основном в США и ЕС). [28]
В 2023 году мировая мощность угольной энергетики увеличится до 2130 ГВт, за счет Китая, добавившего 47,4 ГВт. [29] : 7–64
На COP26 2021 страны присоединились к Глобальному обязательству «Уголь в чистую энергетику». Однако остаются сложные проблемы, особенно в развивающихся странах, таких как Индонезия и Вьетнам. [30]
Существует 4 основных типа угольных электростанций в порядке возрастания эффективности: докритические, сверхкритические , ультрасверхкритические и когенерационные (также называемые комбинированным производством тепла и электроэнергии или ТЭЦ). [31] Докритический тип является наименее эффективным, однако недавние инновации позволили модернизировать старые докритические станции до уровня или даже превзойти эффективность сверхкритических станций. [32]
Интегрированный комбинированный цикл газификации (IGCC) — это технология угольной генерации электроэнергии, которая использует газификатор высокого давления для превращения угля (или другого углеродного топлива) в сжатый газ — синтез-газ ( синтез-газ ). Преобразование угля в газ позволяет использовать генератор комбинированного цикла , обычно достигая высокой эффективности. Процесс IGCC также может обеспечить удаление некоторых загрязняющих веществ из синтез-газа до цикла генерации электроэнергии. Однако эта технология является дорогостоящей по сравнению с обычными угольными электростанциями.
Поскольку уголь в основном состоит из углерода , угольные электростанции имеют высокую интенсивность выбросов углерода . В среднем угольные электростанции выбрасывают гораздо больше парниковых газов на единицу вырабатываемой электроэнергии по сравнению с другими источниками энергии (см. также выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла источников энергии ). В 2018 году уголь, сжигаемый для выработки электроэнергии, выделил более 10 Гт CO2 [ 33] из 34 Гт общего объема выбросов от сжигания топлива [34] (общий общий объем выбросов парниковых газов за 2018 год составил 55 Гт CO2 - экв . [35] ).
С 2015 по 2020 год, хотя угольная генерация почти не упала в абсолютном выражении, часть ее доли рынка заняли ветер и солнце. [27] В 2020 году только Китай увеличил угольную генерацию, а в глобальном масштабе она упала на 4%. [27] Однако в 2021 году Китай заявил, что ограничивает угольную генерацию до 2025 года и впоследствии постепенно отказывается от нее с течением времени. [39] Генеральный секретарь ООН заявил , что страны ОЭСР должны прекратить выработку электроэнергии из угля к 2030 году, а остальной мир — к 2040 году, в противном случае ограничение глобального потепления до 1,5 °C, что является целью Парижского соглашения , будет крайне затруднительным. [18] Поэтапный отказ в Азии может стать финансовой проблемой, поскольку там заводы относительно молодые: [2] в Китае сопутствующие выгоды от закрытия завода сильно различаются в зависимости от его местоположения. [40]
Аммиак имеет высокую плотность водорода и прост в обращении. Его можно использовать в качестве безуглеродного топлива для хранения в газотурбинных электростанциях, а также он может значительно сократить выбросы CO₂ в качестве топлива. [41] В Японии в июне 2021 года был начат первый крупный четырехлетний испытательный проект по разработке технологии, позволяющей совместно сжигать значительное количество аммиака на крупной коммерческой угольной электростанции. [42] [43] Однако водород и аммиак с низким содержанием углерода востребованы для устойчивого судоходства , которое, в отличие от производства электроэнергии, имеет мало других чистых вариантов. [44]
Некоторые электростанции переводятся на сжигание газа, биомассы или отходов [45] , а переход на теплоаккумулирование будет опробован в 2023 году. [46]
В 2020 году в Китае рассматривалась возможность модернизации некоторых существующих угольных электростанций с улавливанием и хранением углерода [47] , но это очень дорого, [11] снижает выработку энергии и для некоторых электростанций технически невыполнимо. [48]
Электростанции, работающие на угле, ежегодно убивают тысячи людей выбросами частиц , микроскопических загрязнителей воздуха, которые попадают в легкие и другие органы человека и вызывают множество неблагоприятных медицинских состояний, включая астму , болезни сердца , низкий вес при рождении и рак . Только в США такие частицы, известные как PM 2.5 (частицы диаметром 2,5 мкм или меньше), стали причиной не менее 460 000 дополнительных смертей за два десятилетия. [49]
В некоторых странах загрязнение в некоторой степени контролируется наилучшими доступными методами , например, в ЕС [50] посредством Директивы о промышленных выбросах . В Соединенных Штатах угольные электростанции регулируются на национальном уровне несколькими правилами по загрязнению воздуха, включая правила о стандартах содержания ртути и токсичных веществ в воздухе (MATS), [51] правилами по сбросам для загрязнения воды , [52] и правилами по твердым отходам в соответствии с Законом о сохранении и восстановлении ресурсов (RCRA). [53]
Угольные электростанции продолжают загрязнять окружающую среду в странах с низким уровнем регулирования, таких как Западные Балканы , [54] Индия, Россия и Южная Африка, [55] что ежегодно приводит к более чем ста тысячам преждевременных смертей. [4] [56] [57]
Вред здоровью от твердых частиц , диоксида серы и оксида азота в основном происходит в Азии и часто из-за сжигания угля низкого качества, такого как лигнит , на заводах, не имеющих современной очистки дымовых газов . [55] Ранние смерти из-за загрязнения воздуха оцениваются в 200 на ГВт-год, однако они могут быть выше вокруг электростанций, где не используются скрубберы, или ниже, если они находятся далеко от городов. [58] Данные свидетельствуют о том, что воздействие серы, сульфатов или PM 2.5 из выбросов угля может быть связано с более высоким относительным риском заболеваемости или смертности, чем воздействие других компонентов PM 2.5 или PM 2.5 из других источников на единицу концентрации. [59]
Загрязняющие вещества, такие как тяжелые металлы , выщелачивающиеся в грунтовые воды из неизолированных прудов для хранения угольной золы или свалок, загрязняют воду, возможно, на протяжении десятилетий или столетий. [60] Сбросы загрязняющих веществ из прудов для хранения золы в реки (или другие поверхностные водоемы) обычно включают мышьяк , свинец, ртуть , селен , хром и кадмий . [52]
Выбросы ртути от угольных электростанций могут попадать обратно на землю и воду с дождем, а затем преобразовываться в метилртуть бактериями. [61] Благодаря биоусилению эта ртуть может затем достигать опасно высоких уровней в рыбе. [62] Более половины атмосферной ртути поступает с угольных электростанций. [63]
Угольные электростанции также выбрасывают диоксид серы и азот . [64] Эти выбросы приводят к кислотным дождям , которые могут перестроить пищевые цепи и привести к краху популяций рыб и беспозвоночных . [64] [65]
По прогнозам , по состоянию на 2018 год [обновлять]локальное загрязнение в Китае, где находится наибольшее количество угольных электростанций, будет снижаться в 2020-х и 2030-х годах, особенно если небольшие и малоэффективные электростанции будут выведены из эксплуатации раньше времени. [66]
Угольные электростанции, как правило, служат технологией базовой нагрузки , поскольку они имеют высокие коэффициенты доступности и их относительно сложно и дорого наращивать и снижать. Таким образом, они плохо работают на рынках энергии в режиме реального времени , где они не могут реагировать на изменения локальной предельной цены. В Соединенных Штатах это было особенно актуально в свете появления дешевого природного газа, который может служить топливом на управляемых электростанциях , которые заменяют роль базовой нагрузки в сети. [67]
Россия направляет значительные субсидии в свою угольную промышленность из-за ее важности для экспортных доходов, шахтерских сообществ и олигархов, владеющих угольными компаниями. [68] [ для проверки нужна цитата ]
В 2020 году угольная промышленность получила субсидии в размере 18 миллиардов долларов США. [2]
Финансирование угля — это финансовая поддержка, предоставляемая проектам, связанным с углем, включая добычу угля и угольные электростанции. [69] Его роль в формировании глобального энергетического ландшафта и его воздействие на окружающую среду и климат сделали его предметом беспокойства. Несоответствие финансирования угля международным целям в области климата, в частности Парижскому соглашению , привлекло внимание. [70]
Парижское соглашение направлено на ограничение глобального потепления до уровня ниже 2 градусов по Цельсию, а в идеале — до 1,5 градусов по Цельсию. Достижение этих целей требует существенного сокращения деятельности, связанной с углем. [71]
Исследования, включая финансовый учет выбросов угля, выявили несоответствие финансирования угля целям по климату. [70] Крупнейшие страны, такие как Китай, Япония и США, расширили финансовую поддержку зарубежной угольной энергетической инфраструктуры. [69] [72] Крупнейшими спонсорами являются китайские банки в рамках инициативы «Один пояс, один путь» (BRI). [73] [69] Эта поддержка привела к значительным долгосрочным климатическим и финансовым рискам и наносит ущерб целям по сокращению выбросов CO2 , установленным Парижским соглашением, подписантами которого являются Китай, США и Япония. Ожидается, что значительная часть связанных с этим выбросов CO2 произойдет после 2019 года. [ 70]
Финансирование угля создает проблемы для глобальной декарбонизации сектора производства электроэнергии. [72] Поскольку технологии возобновляемой энергии становятся конкурентоспособными по стоимости, экономическая жизнеспособность угольных проектов снижается, что делает прошлые инвестиции в ископаемое топливо менее привлекательными. [74] Для решения этих проблем и соответствия целям в области климата все чаще раздается призыв к более строгой политике в отношении зарубежного финансирования угля. [69] [70] Страны, включая Японию и США, столкнулись с критикой за разрешение финансирования определенных угольных проектов. Укрепление политики, потенциально путем полного запрета государственного финансирования угольных проектов, усилило бы их усилия по борьбе с изменением климата и доверие к ним. Кроме того, повышение прозрачности в раскрытии подробностей финансирования имеет решающее значение для оценки их воздействия на окружающую среду. [70]
В Индии коэффициенты использования установленной мощности составляют менее 60%. [75] В 2020 году угольные электростанции в США имели общий коэффициент использования установленной мощности 40%, то есть они работали на уровне чуть менее половины своей совокупной паспортной мощности. [76]
Если глобальное потепление будет ограничено значительно ниже 2 °C, как указано в Парижском соглашении , к 2050 году прогнозируется, что неработающие активы угольных электростанций составят более 500 миллиардов долларов США, в основном в Китае. [77] В 2020 году аналитический центр Carbon Tracker подсчитал, что 39% угольных электростанций уже были дороже новых возобновляемых источников энергии и хранилищ , а к 2025 году их будет 73%. [78] По состоянию на 2020 год [обновлять]около половины угольных энергетических компаний Китая терпят убытки, а старые и малые электростанции «не имеют никакой надежды на получение прибыли». [79] По состоянию на 2021 год [обновлять]Индия поддерживает потенциально неработающие активы в рабочем состоянии, субсидируя их. [80] [81] [82]
В мае 2021 года G7 обязалась прекратить поддержку угольных электростанций в течение года. [83] Обязательство G7 прекратить поддержку угля имеет важное значение, поскольку их угольные мощности сократились с 23% (443 ГВт) в 2015 году до 15% (310 ГВт) в 2023 году, что отражает сдвиг в сторону более зеленой политики. Это контрастирует с Китаем и Индией, где уголь остается центральным элементом энергетической политики. [29] : 11
По состоянию на 2023 год Группа двадцати (G20) владеет 92% мировых действующих угольных мощностей (1968 ГВт) и 88% достроительных мощностей (336 ГВт). [29] : 11
Энергетическая политика Китая в отношении угля и уголь в Китае являются наиболее важными факторами, касающимися будущего угольных электростанций, поскольку в стране их очень много. [84] Согласно одному анализу, местные чиновники вложили слишком много средств в угольную энергетику в середине 2010-х годов, поскольку центральное правительство гарантировало часы работы и установило высокую оптовую цену на электроэнергию. [85]
В демократических странах инвестиции в угольную энергетику следуют экологической кривой Кузнеца . [86] Энергетическая политика Индии в отношении угля является вопросом в политике Индии . [87] [88]
В 21 веке люди часто протестовали против открытой добычи полезных ископаемых, например, в лесах Хамбах , Акбелен и Ффос-и-фран ; [89] [90] а также на участках предполагаемых новых заводов, например, в Кении [91] и Китае. [92]
2%-ный ежегодный прирост мирового парка угольных электростанций, который в настоящее время составляет 2130 ГВт […] Рисунок 16: Мировая мощность угольных электростанций продолжает устойчиво расти, несмотря на Парижское соглашение, с 2%-ным ростом в 2023 г.
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )В 2020 году Китай произвел 53% от общего объема мировой угольной электроэнергии, что на девять процентных пунктов больше, чем пять лет назад.
{{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )