Н.Г. Кириллов, д.т.н., академик АВН – Инновационно-консультационный центр стирлингмашиностроения

В статье показаны перспективы использования угольного метана в качестве топлива для производства электроэнергии и тепла. Результаты натурных испытаний контейнерной энергоустановки с двигателем Стирлинга на опытном полигоне в районе г. Новокузнецка открывают огромные возможности для развития распределенной энергетики в угольных регионах России и других стран.

Угольный метан как перспективный энергоноситель

Одним из наиболее перспективных альтернативных источников получения энергоносителей являются угленосные бассейны, где в последние годы начала создаваться «новая газовая отрасль» по добыче угольного метана. Насколько перспективна эта отрасль, свидетельствует тот факт, что в газовом балансе США угольный метан уже сегодня составляет 8% от объема добычи природного газа.
В условиях возрастающего дефицита традиционных энергоносителей и повышения цены на них конкурентоспособность угольного метана возрастает, хотя и сейчас, по предварительным расчетам, себестоимость его добычи приблизилась к стоимости добычи природного газа на новых месторождениях. В связи с этим, активным извлечением метана из угольных месторождений начинают заниматься и в других странах мира. По оценкам специалистов, его запасы превышают запасы природного газа [1].
В России изучением проблемы добычи угольного метана начали заниматься в конце прошлого века. По оценкам ОАО «Газпром», прогнозные ресурсы метана в угольных пластах эквивалентны доказанным запасам природного газа России и составляют 49 трлн м³, т.е. 15% мировых запасов. Объемы добычи метана в угольных пластах составляют, по различным источникам, 100…120 млрд м³/год, с учетом восточных и северо-восточных бассейнов.
Необходимо отметить, что для добычи метана пригодны далеко не все угли. Так, месторождения длиннопламенных бурых углей бедны метаном. Уголь-антрацит отличается высокой концентрацией газа, но его невозможно извлечь из-за высокой плотности и чрезвычайно низкой проницаемости залежи. Угли, занимающие промежуточное положение между бурыми и антрацитом, относятся к самым перспективным для добычи метана. Именно такой уголь залегает в Кузбассе. Поэтому этот регион выбран в качестве демонстрационной зоны для отработки технологий добычи угольного метана.
В 1998 г. администрация Кемеровской области и ОАО «Газпром» заключили соглашение о сотрудничестве, в рамках которого было создано СП «Кузбассгазпром» для организации разведки и добычи метана из угольных пластов в пределах Южно-Кузбасской группы угольных месторождений, расположенных в Беловском, Прокопьевском, Междуреченском и Новокузнецком районах.
В 2003 г. начались работы по добыче метана из угольных пластов в Ерунаковском районе Кемеровской обл. на Талдинской площадке Кузбасса. Здесь были пробурены 4 экспериментальные скважины, а через год получены первые притоки газа метаноугольных промыслов. В 2005 г. на Талдинской площадке был создан научный полигон по отработке технологии добычи метана из угольных пластов.
Основным способом извлечения метана из угольных пластов стала добыча газа вне действующих шахт – путем бурения с поверхности специальных скважин, при этом используются искусственные методовы повышения газопроницаемости угольных пластов. В основе применяемой на полигоне технологии лежит метод гидроразрыва. Вода под давлением закачивается в угольный газоносный пласт и деформирует его. В образовавшийся дренаж поступает метан, который затем откачивается.
В настоящее время на Талдинской площадке функционирует научно-исследовательский полигон с необходимой инженерной инфраструктурой.
По предварительным подсчетам специалистов, в Кузнецком бассейне залегает 13 трлн м³ метана. Их газоотдача – одна из самых высоких в мире. Использование метана, по официальным данным Федерального агентства по науке и инновациям, может давать ежегодный доход, превышающий $100 млн.
Однако для получения таких доходов необходимо в ближайшие время освоить новые технологии использования угольного метана для производства электроэнергии и тепла. Нужно отметить, что до 2008 года метан, добываемый на Талдинском полигоне, просто сжигался на факелах. Это было связано с отсутствием в то время технологии использования угольного метана.

Угольный метан в качестве моторного топлива для энергоустановок с двигателями Стирлинга

Чтобы успешно реализовать проекты по угольному метану, необходимо не просто собирать его и сжигать, а использовать для получения полезной энергии. Учитывая, что в России отсутствует опыт использования метана угольных пластов, особый интерес представляет разработка новых технологий в данной области, основанных на применении самых передовых достижений.
Одним из таких инновационных проектов является использование угольного метана в двигателе Стирлинга для производства электроэнергии. В настоящее время он рассматривается как «двигатель XXI века», обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки. Низкий уровень шума, малая токсичность отработавших газов, возможность работы на различных топливах, большой ресурс, оптимальное соотношение размеров и массы – все эти параметры характеризуют современный уровень развития двигателей Стирлинга.
Конструктивно машина представляет собой удачное сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств – нагревателя, регенератора и холодильника, образующих внутренний контур с рабочим газом, который перемещается между «холодной» частью, имеющей температуру наружного воздуха, и «горячей» частью.
Нагревание происходит за счет сжигания любого вида топлива или других источников теплоты. В связи с тем что двигатели Стирлинга имеют внешний подвод теплоты (ДВПТ), процесс горения топлива в них осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает равновесно. Рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двигателя и плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура, при отсутствии газораспределительного механизма клапанов. В настоящее время в качестве источников теплоты для двигателей Стирлинга широко применяются не только традиционные энергоносители (нефтепродукты, природный газ и т.д.), но и солнечная энергия, биогаз, древесина, торф, уголь и т.д. [2, 3].
В 2008 г. компания «Газпром промгаз», осуществляющая эксплуатацию Талдинского опытного полигона, начала экспериментальные исследования, цель которых – определить возможность работы когенерационной установки с двигателем Стирлинга на угольном метане. Для данных исследований под руководством автора была разработана оригинальная конструкция контейнерной электростанции с двигателем Стирлинга.
В процессе осуществления данного проекта пришлось впервые решать сложные технические вопросы, связанные с проектированием многих узлов данной контейнерной электростанции. Это связано с тем, что энергоустановки с двигателем Стирлинга для работы на угольном метане использовались впервые не только в России, но и в мире.
В качестве привода была применена зарубежная модель энергетической установки SOLO Stirling 161 CHP.
Электронная система управления энергоустановки позволяет постоянно контролировать несколько параметров двигателя, по которым можно отслеживать изменения теплотворной способности топлива. В соответствии с этими изменениями корректируется режим двигателя, чтобы обеспечить его устойчивую работу при любом составе газа. Таким образом, двигатели Стирлинга идеально соответствуют технологии использования угольного метана в качестве моторного топлива. При этом напрямую можно использовать как угольный метан из скважины, так и каптируемый шахтный газ.
Контейнерная электростанция с двигателем Стирлинга была изготовлена в С.-Петербурге и имела высокую степень заводской готовности. После проведения необходимых монтажных работ на Талдинском полигоне в Кузбассе начались экспериментальные испытания энергоустановки на угольном метане.
Положительные результаты проведенных натурных испытаний могут способствовать появлению новой технологии производства электроэнергии в угольных регионах России – автономных систем энергоснабжения на основе двигателей Стирлинга, работающих на угольном метане [4; 5].

Создание системы автономного электроснабжения угольных регионов на основе двигателей Стирлинга

Согласно планам ОАО «Газпром», к концу 2012 года Кузбасс должен выйти на уровень добычи угольного метана в объеме 4 млрд м³ в год. Сейчас Кузбасс является потребителем газа, а если регион начнет промышленную добычу метана, то станет его производителем и поставщиком. Он сможет удовлетворять не только собственные потребности, но и потребности соседей по Сибирскому округу – Новосибирской области, Алтайского и Красноярского краев. В целом, реализация программы позволит принципиально изменить всю экономику региона за счет создания независимой сырьевой базы и собственных электрогенерирующих мощностей, работающих на дешевом газовом топливе.
Однако в настоящее время природоохранные ограничения, стоимость земли и воды, значительные суммы капитальных затрат, государственное регулирование и т.д. создают трудности для компаний, решивших построить новые мощные электростанции (крупные ТЭС). Поэтому сегодня в условиях финансового кризиса наращивание генерирующих и передающих мощностей с помощью применяемых технологий «большой энергетики» – экономически нецелесообразно. Более того, крупные ТЭС строятся годами, еще больших средств требует строительство новых линий электропередачи и их обслуживание.
Чтобы быстро ввести в энергобаланс Кузбасса прогнозируемые объемы добычи угольного метана, необходимо организовать массовое производство автономных систем электроснабжения и развитие на их основе инфраструктуры распределенной энергетики.
Распределенное производство энергии (Distributed power generation) подразумевает наличие множества небольших по мощности источников энергии, расположенных в непосредственной близости от потребителей и связанных в единую сеть. В рамках данной концепции в качестве генераторов энергии выступают когенерационные установки (КГУ) малой и средней мощности, которые позволяют добиться высокой эффективности использования топлива – до 90% от его потенциальной энергии. Типичное распределенное производство электроэнергии характеризуется небольшими затратами на обслуживание, низким уровнем загрязнения окружающей среды и высокой эффективностью.
Эффективность применения двигателей Стирлинга в КГУ, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами, обусловлена особенностью его теплового баланса, выражающегося в разнице между потерями теплоты с отработавшими газами и в охлаждающую воду. Для двигателя Стирлинга этот баланс составляет, соответственно,
10% и 40%, что с учетом более высокого КПД самого двигателя позволяет создавать компактные и высокоэффективные установки.
Нужно отметить, что КПД современных зарубежных стирлинг-генераторов с учетом получения дополнительного тепла может достигать 95%.
В настоящее время в мире уже существует серийное производство нескольких модификаций двигателей Стирлинга мощностью до 100 кВт, которые могут использоваться для создания высокоэффективных когенерационных систем.
Двигатели Стирлинга практически бесшумны и экологичны, так как концентрация вредных веществ в продуктах сгорания на два порядка ниже, чем у электростанций на основе двигателей внутреннего сгорания. Таким образом, их можно устанавливать в непосредственной близости от потребителя, что позволит избежать потерь на передачу электроэнергии.
Добыча угольного метана, серийное производство двигателей Стирлинга, а также успешные испытания энергоустановки на угольном метане на Талдинском опытном полигоне создают уникальные возможности для построения системы распределенного производства энергии в Кузбассе, что может стать основным направлением развития энергетики всего региона.
Согласно данной концепции, в каждом населенном пункте любого угольного региона России в короткие сроки можно создать «стирлинг-энергоблоки» необходимой мощности, работающие на угольном метане, для обеспечения местных потребителей электроэнергией и теплом. Они могут предназначаться как для отдельных домов, так и для группы зданий или небольшого поселка. Энергоблоки комплектуются несколькими когенерационными установками с двигателями Стирлинга. Предварительные расчеты показывают, что при использовании угольного метана в качестве
топлива себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии
в этом случае будет в три-четыре раза ниже, чем действующие тарифы централизованных энергосистем, а тепло получается фактически бесплатным(!). Срок окупаемости «стирлинг-энергоблоков» составляет, в зависимости от мощности, от 2,5 до 3,5 лет.
Кроме населенных пунктов, энергоблоки на угольном метане должны найти широкое применение при производстве электроэнергии для шахтного оборудования, обеспечении нужд региональных промышленных объектов и малого бизнеса и т.д.

Заключение

В настоящее время в России есть понимание того, что угольный метан – это такое же национальное богатство, как нефть и природный газ. Огромные ресурсы, мировой опыт, технологии и имеющееся оборудование для добычи и использования угольного метана позволят ему уже в ближайшем будущем занять достойное место в топливно-энергетическом балансе страны.
Кроме того, первый успешный опыт эксплуатации энергетических установок с двигателями Стирлинга на объекте ОАО «Газпром» открывает широкие возможности применения их в газовой промышленности России. Уже сейчас прорабатываются технические решения по использованию таких установок в системах автоматизации, связи и катодной защиты на магистральных газопроводах, а также для обеспечения электроэнергией и теплом вахтовых поселков газовиков и других объектов компании Газпрома.

Использованная литература

1.    Кириллов Н.Г. Шахтный метан – альтернативное газовое топливо//Машины и механизмы. 2008, № 2. С. 24/31.
2.    Кириллов Н.Г. Энергопреобразующие системы на основе машин Стирлинга – новые технологии автономной энергетики для нефтегазового комплекса России. М.: ИРЦ «Газпром», 2004. / 39 с.
3.    Кириллов Н.Г. Энергетические установки на основе двигателей Стирлинга. Новые технологии использования альтернативных топлив.//Вестник машиностроения. 2008, № 2. С. 6/11.
4.    Кириллов Н.Г. Газопоршневые двигатели Стирлинга – технологический прорыв в автономной энергетике XXI века//ГАЗинформ. 2008, .№ 2. С. 34/41.
5.    Кириллов Н.Г. Машины Стирлинга для высокоэффективных и экологически чистых систем автономного энергоснабжения//Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2000, №12. С. 21/24.