Современный мир сталкивается с серьезными проблемами в энергетической сфере, вызванными ростом энергопотребления, сокращением запасов ископаемого топлива и необходимостью снижения эмиссии парниковых газов. Тепловые электростанции, работающие на ископаемом топливе, такие как уголь, природный газ и мазут, по-прежнему играют ключевую роль в обеспечении глобальной энергетической безопасности, но их эксплуатация неразрывно связана с серьезными экологическими и экономическими издержками. Ввиду этих обстоятельств, усиление энергоэффективности тепловых электростанций становится неотложной задачей на пути к устойчивому энергетическому будущему. Это подразумевает внедрение прогрессивных технологий и методов, позволяющих уменьшить потребление топлива, снизить выбросы вредных веществ и одновременно увеличить производство электроэнергии. Внедрение более экономичных методов в энергетической отрасли, кроме того, оказывает положительное экономическое влияние, способствуя уменьшению себестоимости генерации электроэнергии, сокращая зависимость от импорта углеводородов и стимулируя экономический рост [1]. Это делает изучение и внедрение современных подходов по усилению энергоэффективности тепловых электростанций актуальной и важной задачей. В этой работе мы проведем обстоятельный анализ современных решений и технологий, ориентированных на повышение энергоэффективности тепловых электростанций, рассмотрим их рабочие принципы, преимущества, недостатки и перспективы использования в будущем, а также оценим их вклад в достижение глобальных климатических целей и переходу к устойчивой энергетике.

Одним из наиболее перспективных и действенных подходов к повышению КПД тепловых электростанций является применение парогазовых установок (ПГУ). ПГУ представляют собой комбинированную систему, где используется и газовая, и паровая турбина. В газовой турбине происходит сжигание природного газа или другого топлива, при этом вращение турбины активирует генератор, вырабатывающий электрическую энергию. Выхлопные газы газовой турбины, обладающие высокой температурой, поступают в котел-утилизатор, где тепло этих газов используется для нагрева воды и образования пара. Далее, этот пар направляется в паровую турбину, вращая ее и производя дополнительную электрическую энергию. Таким образом, тепло, которое обычно уходит в потери в обычных тепловых электростанциях, используется вторично, что приводит к значительному повышению общего КПД установки [2]. Принципиальная схема ПГУ демонстрирует эту двухступенчатую систему трансформации энергии, показывая поток топлива и выхлопных газов, и их конвертацию в полезную электрическую энергию (Рис. 1). Парогазовые установки обладают рядом весомых достоинств, включая высокий КПД, который может достигать 60 % и более, что существенно превышает характеристики обычных паровых турбин. Наряду с высокой эффективностью, ПГУ отличаются уменьшенными выбросами загрязняющих веществ, что делает их более экологичным вариантом. Кроме того, ПГУ характеризуются адаптивностью в использовании различных видов топлива и могут применяться как на больших электростанциях, так и в малой распределенной генерации. Несмотря на эти плюсы, ПГУ также имеют и определенные минусы, такие как более высокие капитальные вложения по сравнению с традиционными паровыми турбинами, а также необходимость непрерывного обеспечения топливом, которое может быть подвержено колебаниям цены.

Рисунок. 1. Простейшая тепловая схема ПГУ с КУ: ОК – осевой компрессор;

ГТ – газовая турбина; КС – камера сгорания; ЭГ – электрогенератор;

 ГТУ – газотурбинная установка; КУ – котел-утилизатор; ПТУ – паротурбинная установка; КД – конденсатор; Н – насос

Комбинированный цикл является еще одним действенным способом усиления энергоэффективности тепловых электростанций. Суть комбинированного цикла заключается в интеграции нескольких разнотипных установок для преобразования энергии, таких как газовые турбины, паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания, в единую систему. Этот подход дает возможность максимально использовать тепловую энергию от различных процессов и увеличить общую эффективность системы. Например, в комбинированном цикле выхлопные газы от двигателя внутреннего сгорания могут быть использованы для нагрева воды в паровом котле, который, в свою очередь, снабжает паровую турбину. Таким образом, тепловая энергия, которая в других условиях была бы утеряна, применяется для дополнительной генерации электроэнергии. Комбинированные циклы позволяют достигать весьма высоких уровней эффективности, до 65 % и более, и минимизировать эмиссию вредных веществ. Они также выделяются своей гибкостью в использовании различных типов топлива и могут быть применены как для электростанций средней, так и большой мощности. Однако, реализация комбинированных циклов требует значительных капиталовложений и сложной инфраструктуры.

Значительную роль в повышении энергоэффективности тепловых электростанций играют системы утилизации тепла. Эти системы разработаны для перехвата и использования тепла, которое в противном случае было бы рассеяно в окружающую среду. Существует несколько типов систем утилизации тепла, включая регенеративный подогрев воздуха и воды, системы когенерации, тепловые насосы и органические циклы Ренкина. Регенеративный подогрев воздуха и воды заключается в использовании тепла от отходящих газов или конденсата для подогрева воздуха перед поступлением в котел или для подогрева питательной воды. Таким образом, тепло, которое обычно тратится впустую, возвращается в цикл, увеличивая общую производительность станции. Системы когенерации представляют собой одновременное производство тепловой и электрической энергии. Когенерация дает возможность эффективно применять топливо, поскольку тепловая энергия, генерируемая на электростанциях, используется для обогрева, горячего водоснабжения или технологических процессов. Тепловые насосы используют низкопотенциальное тепло, к примеру, тепло от воды или земли, для отопления или охлаждения зданий. Это дает возможность уменьшить потребление первичной энергии и сократить эмиссию. Органические циклы Ренкина используют низкопотенциальное тепло для привода турбин, что позволяет извлекать энергию даже из источников тепла, которые обычно не применяются. Использование систем утилизации тепла позволяет существенно уменьшить потери энергии, повысить общий КПД и снизить воздействие на окружающую среду, особенно в случаях, когда существует потребность в тепле, например, для отопления или промышленных процессов.

Помимо вышеописанных методов, существует множество других передовых решений и технологий, позволяющих усилить энергоэффективность тепловых электростанций. Одним из направлений является улучшение материалов и конструкции котлов и турбин. Применение новых сплавов и композитных материалов, которые способны выдерживать более высокие температуры и давления, позволяет увеличить КПД турбин и уменьшить потери энергии. Применение современных систем автоматизации и управления также является важным фактором повышения энергоэффективности [3]. Системы управления, работающие в реальном времени, способны оптимизировать работу станции, снижать потери энергии и повышать эффективность функционирования оборудования. Использование цифровых технологий, таких как датчики, аналитика и машинное обучение, позволяет прогнозировать и предотвращать сбои, оптимизировать режимы работы оборудования и увеличивать общую надежность станции. Еще одним перспективным направлением является химическое улавливание CO₂. Разработка и внедрение технологий улавливания углекислого газа на тепловых электростанциях позволит существенно уменьшить выбросы парниковых газов и замедлить процесс изменения климата. Но также существуют и другие способы уменьшения вреда окружающей среде, среди которых: использование биотоплива или топливных смесей, а также применение технологий для переработки выбросов [4].

Таблица 1

Сравнение характеристик различных методов повышения энергоэффективности ТЭС

Применение современных подходов по усилению энергоэффективности тепловых электростанций имеет значительный потенциал для сокращения эмиссии парниковых газов и уменьшения потребления топлива. Разнообразные технологии, такие как ПГУ, комбинированные циклы, системы утилизации тепла и улавливания CO₂, позволяют существенно увеличить КПД тепловых электростанций и уменьшить их отрицательное воздействие на окружающую среду (Табл. 1). Однако, внедрение этих технологий сопряжено с определенными ограничениями, такими как высокие начальные вложения, технологическая сложность и потребность в модернизации существующей инфраструктуры. Экономическая целесообразность внедрения новых технологий зависит от цен на топливо, углеродных налогов, государственной поддержки и других экономических факторов.

Увеличение энергоэффективности тепловых электростанций является важнейшей задачей для достижения устойчивой энергетической системы. Тепловые электростанции, несмотря на курс на более экологичные источники энергии, продолжат играть важную роль в обеспечении энергетической безопасности, и поэтому их модернизация и применение передовых технологий представляется необходимой мерой. Современные подходы, такие как парогазовые установки, комбинированные циклы, системы утилизации тепла и другие инновационные методы, позволяют не только снизить эмиссии, но и увеличить общую эффективность станций [5]. Необходимы дальнейшие изыскания и разработки, а также экономическая и политическая поддержка для обеспечения широкого внедрения данных технологий. Для обеспечения успеха перехода к более экономичной и экологически чистой тепловой энергетике требуется также сотрудничество между правительствами, исследовательскими учреждениями и энергетическими компаниями. Этот многосторонний подход позволит обеспечить надежное и устойчивое энергоснабжение, одновременно снижая отрицательное влияние на окружающую среду. Переход к более экономичным и экологически чистым тепловым электростанциям является важным шагом на пути к декарбонизации энергетического сектора и созданию более устойчивой энергетической системы, а также будет способствовать уменьшению зависимости от ископаемого топлива и замедлению процесса изменения климата, гарантируя тем самым более надежное и стабильное будущее для всех.