Технологии
Ядерное опреснение: не пресный план Росатома

Росатом хочет выйти на мировой рынок ядерного опреснения, потенциал которого оценивается в $2 трлн до 2030 года. Причем шанс отработать связку «АЭС плюс опреснительный комплекс» может представиться Росатому довольно скоро — в Египте.

Вводная о воде

По мнению врачей, человеку необходимо в день выпивать 1,5 – 2 литра жидкости. Это могут быть разнообразные напитки, но в основе большинства из них лежит пресная вода. Кажется, что вода, которая покрывает примерно три четверти поверхности нашей планеты, повсюду: бери, пользуйся. Однако пресная вода, которая нужна нам для питья, мытья и полива, составляет лишь 3 % мировых водяных запасов, при этом большая часть из этого показателя — льды, недоступные для использования. По данным ООН, темпы роста потребления воды в XX веке вдвое опередили рост населения на планете. Все дело в том, что по мере увеличения численности населения и развития технологий орошение и производство продовольствия требуют гораздо больше водных ресурсов. В настоящее время на сельское хозяйство приходится около 70 % глобального потребления воды. Например, по некоторым оценкам, для производства 1 кг риса необходимо 3,5 тыс. литров воды, 1 кг говядины — 15 тыс. литров. 
 
И эта тенденция к увеличению потребления воды сохранится. В результате к 2025 году, по оценкам ООН, 1,8 млрд человек будут жить на территориях с абсолютной нехваткой воды, а примерно две трети мирового населения могут оказаться в напряженных условиях.
 
 

Вечные технологии

Первые попытки решить проблему нехватки пресной воды путем опреснения человечество предпринимало еще в древние времена. В Интернете можно найти сразу несколько версий изобретения первых способов получения питьевой воды из морской. По одной из них, греческие моряки кипятили воду, чтобы отделить ее от соли, а римляне использовали глину в качестве фильтра; примечательно, что с тех пор принципиально новых подходов изобретено не было.
 
Большинство современных опреснительных технологий по-прежнему основаны на одном из двух методов: дистилляции с помощью теплоэнергии или фильтрации с помощью мембран. При дистилляции соленая вода нагревается для получения пара, который затем конденсируется и собирается уже в виде питьевой воды. Другой метод основан на прогонке насосом соленой воды через полупроницаемые мембраны — бумагоподобные фильтры с микроскопическими дырками, — которые задерживают соль и пропускают частички очищенной воды. 
 
Остатки соленой воды затем спускаются в океан. Внутри этих двух типов есть несколько подкатегорий. В частности, дистилляция бывает многоступенчатой (multi-effect distillation, MED), мгновенным вскипанием (multi-stage flash distillation, MSF) и парокомпрессионной (vapor compression, VC). А мембраны, например, используются в обратном осмосе (reverse osmosis, RO) или в электродиализе.
 
Ускоренный рост отрасли — в промышленном масштабе — начался с 1950-х годов, а драйвером развития выступал военно-морской флот. Ранние установки — простейшие испарители — имели слабую производственную эффективность, страдали от накипи и коррозии, а потому срок их службы был невелик. Требовалось их усовершенствование. И в середине 1950-х инженеры США и Великобритании спроектировали первые судовые MSF-установки, которые впоследствии были адаптированы для использования в более крупных, наземных конструкциях. Собственно, до конца 1990-х MSF-опреснители доминировали: на них, по данным МАГАТЭ, приходилось 78 % мировых мощностей, в то время как на обратный осмос — скромные 10 %. Уже через десять лет картина кардинально поменялась: доля RO-установок увеличилась до 53 %, а MSF — снизилась до 23 %.
 
Есть и другая статистика: с начала XXI века объем опресненной воды, произведенной по всему миру, увеличился более чем втрое. По итогам 2013 года, согласно оценке WNA, установленная мощность всех опреснительных станций оценивалась в 80 млн м3/д. Около трех четвертей мощностей составляют установки обратного осмоса (60 %) и MSF, но многоступенчатая дистилляция набирает обороты.
 
Региональное распределение выглядит так (подробнее см. инфографику на стр. 22). Технология RO популярна в Латинской Америке, Африке и странах Персидского залива. В арабском регионе, впрочем, активно представлены также MSF/MED-установки. Многоступенчатую дистилляцию развивают в Индии и в Китае.
 
Хотя сторонники обратного осмоса утверждают, что очистка воды от соли путем этой технологии достигает 99,9 %, апологеты дистилляции предъявляют претензии к качеству полученной воды. Повышение же качества и уровня фильтрации требует больших энергозатрат.
 
 
 

«Энергичная» экономика

Можно быть сторонником той или иной технологии, однако выбор конкретного способа опреснения — дело, скорее, не вкуса, а экономики. Все технологии объединяет одно: процесс опреснения требует большого количества энергии. Электричество необходимо установкам обратного осмоса с механической компрессией пара, тепло — для термической дистилляции.
 
Производство одного кубометра воды путем обратного осмоса требует до 6 кВт . ч электроэнергии, хотя последние, продвинутые RO-установки, такие, как, например, в городе Перт (Австралия), расходуют 3,5 – 4 кВт . ч. Следовательно, 1 МВт электрической мощности позволяет получать около 6 – 6,9 тыс. м³/д, подсчитали эксперты WNA. При этом MSF- и MED-конструкциям требуется источник тепла температурой 70 –130 °C. Удельный расход составляет примерно 38 кВт . ч / м³ теплоэнергии, дополнительные 3,5 кВт . ч электричества необходимы для MSF и 1,5 кВт . ч — для парокомпрессионной дистилляции.
 
 
На стоимость киловатта в конечном счете влияют вид топлива электростанции, его цена и режим работы энергетической установки. Сейчас в мире для опреснения в основном используются либо теплогенерация (ТЭС или ТЭЦ с комбинированной выработкой электричества и тепла), либо «обезличенная» электроэнергия из сети, либо даже ВИЭ. Хотя ядерные установки большой мощности — один из самых дешевых источников энергии, история знает всего лишь несколько примеров, когда АЭС помогала опреснять воду для широкого потребления (с опреснением воды для собственных нужд атомные станции вполне успешно справляются в разных странах, включая Россию). Самая большая подобная установка, обеспечивавшая дистиллятом себя, три крупные ТЭЦ, несколько заводов, а также осуществлявшая коммунальное водоснабжение города, функционировала на территории бывшего СССР —в Казахстане.
 
Однако киловатты киловаттами, но экономическая привлекательность опреснения в конечном счете зависит от цены питьевой воды для потребителя.
 

Лучше поздно, чем никогда

Розничная цена на воду, высокий спрос на нее в странах, которые являются для Росатома целевыми рынками с точки зрения продажи ядерных реакторов (Азия, Ближний Восток, Латинская Америка, Африка), инженерная простота связки АЭС и опреснительной установки, а также опыт эксплуатации подобного комплекса — сложив эти факторы, российские атомщики воскликнули: «Мы недополучаем маржу!» И в сентябре 2014 года компания «Русатом Оверсиз», «дочка» Росатома, которая отвечает в числе прочего за новые бизнесы госкорпорации, выдвинула идею: выйти на рынок опреснения.
 
Справедливости ради стоит отметить, что слово «опреснение» не первый раз звучит в контексте российской атомной отрасли: пресная вода должна была стать одним из продуктов плавучей АЭС, которую «Росэнергоатом» строит с 2007 года. Но как самостоятельный бизнес или даже основной продукт это направление до недавнего времени не рассматривалось. Стоило слегка сместить угол зрения, и ПАТЭС превратилась чуть ли не во флагманский проект в сфере опреснения.
 
Гендиректор «Русатом Оверсиз» Джомарт Алиев видит у Росатома целый ряд серьезных конкурентных преимуществ в этой сфере: «Росатом — единственная компания в мире, которая объединяет три необходимые для реализации пресноводной тематики компетенции. Первая — это ядерная парогенерация, в которой, откровенно говоря, у нас есть конкуренты, потому что не мы одни делаем ядерные паропроизводящие установки. А две другие компетенции: ядерное опреснение и транспортируемые ядерные паропроизводящие установки — в принципе у других отсутствуют». Правда, признается он, у американцев и французов были надводные суда с ядерными энергетическими установками, но по опыту безаварийной долгосрочной эксплуатации они явно уступают Росатому. Словом, в «Русатом Оверсиз» верят в успех российских атомщиков на этом рынке.
 
Какую опреснительную технологию выбрать, авторы идеи долго не раздумывали. Обратный осмос не только вызывает сомнения в качестве опресненной воды — ее вполне можно использовать для промышленных и сельскохозяйственных нужд, но воду высшего, бутилированного качества не получить, а именно в этом сегменте наибольшая маржинальность, — но и влечет за собой высокую зависимость от производителей мембран. «Это как бритва Gillette, которая станки продает с убытком, а на лезвиях получает и 100 %, и 120 % рентабельность», — приводит понятное всем сравнение Д. Алиев. (Здесь уместно упомянуть, что мировой лидер в производстве мембран — США.) 
 
В пользу выбора дистилляции говорит и устранение проблемы ненужного передела. «Зачем из пара делать электричество, а потом из электричества — пресную воду, если можно напрямую делать отводы регулируемого пара с нужными параметрами, который параллельно еще и турбину будет вращать?» — рассуждает глава компании.
 
Для детального разбора возможного интегрированного предложения госкорпорации на рынке опреснения «Русатом Оверсиз» созвал экспертный совет в составе специалистов НИЦ «Курчатовский институт», «НИИ Экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина», «МАЭК-Казатомпрома», ФЭИ. От экспертов, среди прочего, компания ожидала помощи в выборе оптимальной реакторной конструкции для выхода на рынок. «У нас есть большие, у нас есть средние, у нас есть малые реакторы. У нас есть транспортируемые реакторы, — перечисляет Д. Алиев. — А с учетом заделов «Курчатовского института» и ряда институтов Росатома, которые находятся в очень близкой инженерно-конструкторской связи с «Курчатником», у нас их еще больше, и они могут быть кастомизированы, то есть настроены под любой запрос клиента».
 
В сентябре Д. Алиев сказал, что «Русатом Оверсиз» не хотел бы выходить на рынок опреснения с большой реакторной установкой, чтобы не проторить дорогу конкурентам. Тем не менее, как говорится, человек предполагает, а Бог располагает: первым проектом в портфеле заказов «Русатом Оверсиз» по опреснительной тематике, судя по всему, станет интегрированный комплекс именно в составе АЭС большой мощности.
 

Испытание Египтом

В феврале в рамках визита российского президента в Каир глава Росатома Сергей Кириенко подписал с министром электрификации и возобновляемых источников энергии Египта Мухаммедом Шакером соглашение о развитии проекта по строительству АЭС на территории арабской республики. Как сообщил по итогам подписания C. Кириенко, по просьбе Египта впервые атомная станция будет объединена с блоками по опреснению воды. Египтяне проявляют острый интерес к этой теме и в ходе переговоров задавали больше вопросов об опреснительных возможностях Росатома, чем о параметрах АЭС, рассказал представитель российской делегации.
 
Для этого проекта «Русатом Оверсиз» готовит типовое решение по интеграции опреснительного комплекса в состав АЭС на базе реакторной установки ВВЭР-1000/1200. Классический пример подобной интеграции — теплофикационные установки, которые много лет эксплуатируются на российских АЭС и используются для отопления близлежащих городов.
 
В «Русатом Оверсиз» подсчитали, что при сооружении АЭС с реактором мощностью 1,2 тыс. МВт на опреснение можно было бы направлять 14 % от общего потока пара — это соответствует производительности MED-установки в 170 тыс. м³/д. При условии интеграции двух видов деятельности — она необходима уже на этапе проектирования —достигаются экономия расходов каждого за счет совместного эффективного использования ресурсов (пара, гидросооружений, систем жизнеобеспечения), а также синергия.
 

Новый взгляд на старые вещи

Одним из наиболее перспективных направлений «Русатом Оверсиз» считает создание опреснительного комплекса на основе серии смонтированных на барже установок с ядерными реакторами КЛТ-40С. Такой комплекс мог бы быть установлен в нескольких милях от берега, а полученная пресная вода поставлялась бы на берег для хранения и последующего распределения.
 
Комбинация плавучей АЭС и опреснительного комплекса позволила фантазии специалистов «Русатом Оверсиза» выйти за пределы традиционного использования пресной воды. Так, в компании рассматривают идею о применении подобных гибридов в нефте- и газодобыче на шельфе. «Современная технология добычи нефти и газа на шельфе не предполагает напорных схем: напирать нечем — нельзя закачивать в пласт соленую воду, — объясняет Д. Алиев, сам бывший нефтяник. — А плавучие опреснительные конструкции позволят совсем иначе подходить к этому вопросу». Впрочем, оговаривает он, детальные экономические расчеты по этой идее еще не проводились, эту работу целесообразнее разделить с грамотным партнером из индустрии по добыче углеводородов. «Я считаю, что это очень интересная бизнес-идея, ее следует отработать», — заключает глава компании.
 

«Кипятильники»

Судя по концепции интегрированного предложения Росатома, конструкция опреснительного оборудования, которое представляет собой по сути кипятильники, занимает в проекте далеко не первое место. Это оборудование способен произвести широкий круг предприятий как в России, так и за рубежом. И в контуре госкорпорации такие предприятия есть — это прежде всего «СвердНИИхиммаш», который стоял у истоков ядерного опреснения в СССР: первая вода была получена с установки предприятия в 1962 году. А проектантом показательного объекта в Актау выступал «ВНИПИпромтехнологии», ныне — «дочка» горнодобывающего АРМЗ. И похоже, соответствующие компетенции не утрачены: один из последних проектов «СвердНИИхимммаша» в этой сфере — дистилляционные обессоливающие/очистные установки для целей химводоочистки на Ростовской АЭС, а ВНИПИПТ все еще предлагает клиентам технологии опреснения морской воды.
 
Свою опреснительную установку разрабатывает «МАЭК-Казатомпром», «дочка» главного казахского атомного предприятия. Не исключено, что результат этой работы в случае успеха пригодится Росатому.
 

Money, money, money, must be funny

По прогнозам «Русатом Оверсиз», объем мирового рынка опреснения до 2030 года может превысить внушительные $ 2 трлн. Из этой суммы большая часть — $ 1,25 трлн — приходится на собственно рынок пресной воды. В разных регионах цена воды варьируется в широком диапазоне от $ 0,8 до $ 5 и во многом зависит от себестоимости опреснения.
 
Что касается российского предложения, то, по подсчетам Д. Алиева, Росатом сможет уложиться в себестоимость не более $ 1. «Все зависит от того, на каком техническом решении мы будем это делать. На большом ВВЭР-1200, очевидно, отводы пара будут позволять получать очень дешевую воду. Если же организовать целевую проектную деятельность, ориентированную только на производство воды, то с большим реактором не очень понятно, куда деть столько продукции. А вот для маленьких установок такая возможность существует. Сегодняшние расчеты показывают, что при определенном старании мы вполне уместимся в доллар за кубометр», — калькулирует он.
 
Даже если принять за среднюю цену реализации пресной воды $ 2, то себестоимость в $ 1 дает, мягко говоря, неплохую валовую рентабельность в 50 %. «Ну да, маржинальный запас очень приличный», — сдержанно комментирует Д. Алиев.
 
Еще примерно четверть триллиона долларов до 2030 года составляет сегмент опреснительных установок. Лидеры в этом сегменте — на них приходится 80 % рынка — компании Veolia, GE Water и Doosan, и все они предлагают проекты на основе трех основных технологий опреснения. То есть Росатому предстоит как вступить в технологическую конкуренцию, доказывая, что многоступенчатая дистилляция лучше, чем обратный осмос, так и побороться с крупнейшими игроками за место на рынке.
 
И если говорить о конкуренции с обратным осмосом, то определенные шаги в этом направлении уже сделаны. «Русатом Оверсиз» подсчитал, что, несмотря на более высокие капитальные затраты на старте, MED экономически привлекательнее, чем RO, при средне- и долгосрочном горизонте планирования — за счет гораздо более низких операционных издержек. Кроме того, у MED-установок существенно выше КПД использования энергии источника. Еще одно преимущество — более высокая степень управляемости качеством опресненной воды.
 

Заключение

Идея продажи опреснительных установок вместе с АЭС при таком уровне рентабельности настолько хороша, что непонятно, как никто из атомщиков мира не додумался до нее раньше. Менеджеры «Русатом Оверсиз», рассказывая о проекте, фокусируются на его положительных сторонах, а не на сдерживающих факторах. Поэтому мы решили сами предположить, с какими трудностями может столкнуться российская госкорпорация на этом рынке.
 
Во-первых, активному развитию ядерного опреснения мешает неприятие населением полученной таким образом воды, и это мнение не простого обывателя, а Евгения Муралева из «МАЭК-Казатомпрома» — предприятия, которое до сих пор снабжает жителей Актау хозяйственной и питьевой водой. Развитие общественной дискуссии в странах, применяющих RO-технологию, о ее воздействии на окружающую среду и здоровье человека, могло бы помочь Росатому в решении этой проблемы. Кроме того, огромную поддержку оказывает работа МАГАТЭ в направлении продвижения тематики ядерного опреснения.
 
Во-вторых, определенные усилия потребуются, чтобы убедить страну — покупателя АЭС в том, что ей нужен этот «суповой набор». Российские реакторы покупают те страны, у которых собственных технологий нет. Но дистилляционный «кипятильник» — далеко не самое высокотехнологичное устройство. Его можно произвести на собственной территории — вспомним Индию, которая заключила контракт по «Куданкулам» с россиянами, но поставила там свой опреснительный комплекс, — либо приобрести у другой страны с целью диверсификации поставки важных ресурсов. 
 
Создается ощущение, что Египет — приятное исключение из общего правила, и то лишь потому, что ему нужна не столько АЭС, сколько дешевая пресная вода. Д. Алиев соглашается: будет не просто. Однако, по его мнению, в условиях, когда на рынке ядерных реакторов конечным продуктом является киловатт-час произведенной электроэнергии, вендор получает больше свободы в выборе инструментов управления стоимостью.
 
В-третьих, экономическая составляющая. На данный момент главный выраженный в деньгах аргумент против RO-установок — более высокие операционные затраты. Однако не надо забывать, что производители работают над совершенствованием технологий. В прошлом уже имел место ряд прорывов: по данным МАГАТЭ, в период с 1980‑х по 2000‑е годы объем энергии, затрачиваемый на опреснение путем RO, вдвое уменьшился благодаря технологическому улучшению насосов и другого оборудования, а впоследствии снизился еще больше из-за новой системы повторного использования воды (recovery system). Сейчас активно ведутся исследования, ориентированные на создание перспективных материалов для систем обратного осмоса, например, нанокомпозитных мембран и мембран с применением карбонной нанотрубки.
 
Теперь о конкурентном окружении. Судя по всему, конкурентов с традиционного рынка реакторов Росатому можно не опасаться: мы не обнаружили каких-либо упоминаний о том, что американская Westinghouse или французская Areva работают в этом направлении. А вот японская Toshiba соответствующие исследования проводит и даже регистрирует патенты: компания сосредоточена на изготовлении специфических мембран и девайсов, способствующих повышению эффективности использования энергии путем обратного осмоса; главная цель при этом — сокращение операционных издержек установок. 
 
Так что основным конкурентом Росатома на рынке ядерного опреснения путем MED, по нашему предположению, может стать… Индия, у которой также накоплен неплохой опыт в этой сфере. Недавно там пришло к власти новое правительство, которое уже активизировало решение целого ряда проблем, прежде тормозивших развитие атомной отрасли. Среди них — ратификация дополнительного протокола к соглашению с МАГАТЭ, который важен именно с точки зрения выхода Индии на зарубежные рынки ядерных технологий. Не исключено, что вслед за Росатомом Индия захочет предлагать свои конструкции реакторов в связке с опреснением. 
 
 
 
 

 

Комментарии экспертов

Юрий РАХМАНИН, 
Академик РАН, директор ФГБУ «НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина» Минздрава России:
 
Дистилляция — процесс, почти аналогичный происходящему в природе. В результате дистилляции можно получить обессоленную воду, очищенную от всех вредных солевых элементов. Это удается сделать и методом обратного осмоса. Однако вода, получаемая в результате очистки этими способами, разного качества, и вот почему.
 
Бром и бор имеют определенные ограничения при мембранном методе, используя который, можно достичь нормативных величин чистоты, но не при одно‑, а при двух- или даже трехступенчатом опреснении. Например, бром содержится в морской воде в высоких концентрациях, порядка 60 – 65 мг / л, тогда как при опреснении необходимо довести его содержание до 0,2 мг / л. А содержание бора в опресненной воде по сравнению с исходной морской нужно уменьшить на порядок для достижения нормативной величины — не более 0,5 мг / л. Это для мембранных методов представляет определенные трудности. При дистилляции таких трудностей нет.
 
Также мембранные методы предполагают использование в огромных количествах различных синтетических и полимерных материалов. Целлюлозные, полиамидные и иного типа мембраны имеют два гигиенически важных свойства. Во-первых, незаполимизировавшиеся мономеры могут вымываться из этих полимерных материалов и поступать в опресненную воду. Во-вторых, со временем, под воздействием различных факторов окружающей среды, может происходить трансформация полимерных материалов с образованием побочных продуктов органического происхождения. За этими процессами необходимо следить и держать их под контролем. В дистилляционных методах опреснения полимерные материалы практически не используются, и угрозы загрязнения веществами искусственного происхождения практически не существует.
 
Что нужно контролировать в дистилляционных процессах? Есть легкая летучая органика. Она испаряется, наподобие водяного пара. Причем температура ее испарения может быть ниже температуры кипения воды. При этом идут два процесса: образования пара и его конденсации, а для органического вещества важны температура его возгонки и температура конденсации. Соотношение этих двух процессов иногда приводит к тому, что в отдельных испарительных аппаратах, работающих в разных температурных режимах, может появляться летучая органика. Но если дифференцированно отобрать дистилляты от аппаратов, где эта конденсация не происходит, то мы получим чистейший дистиллят без этой легкой органики.
 
Кроме того, существуют показатели PH и окислительно-восстановительного потенциала, которые в дистиллированной воде хорошо поддаются корректировке. Пресная вода, полученная практически любым методом опреснения, для использования ее в питьевых целях нуждается в коррекции солевого состава. У дистилляционных методов опреснения гораздо больше преимуществ при проведении такой корректировки по сравнению с методом обратного осмоса. Можно сказать, что дистилляты, полученные в испарительных аппаратах, позволяют получить питьевую воду наиболее высокого качества.
 
Перспективы у Росатома в сфере опреснения, безусловно, есть, и, на мой взгляд, большие. В СССР технологии опреснения развивались достаточно эффективно, они применялись на территории Казахстана, Узбекистана, Азербайджана, в Российской Федерации. Советские специалисты участвовали в строительстве опреснительных комплексов в Южном Йемене и Ливии. Большинство опреснителей, используемых в мире, не позволяет получать воду, пригодную для питья. В то же время идеология, разработанная в СССР и развиваемая ныне в Российской Федерации, была принята международным сообществом в виде «Руководства по гигиеническим аспектам опреснения воды» (Guidelines on Health Aspects of Water Desalination), изданного Всемирной организацией здравоохранения еще в 1980 году. Этот документ до сих пор является единственным в мире, в котором описаны принципы, как из опресненной воды сделать питьевую. Мы готовы на основе дистилляционных методов опреснения приготовить и водопроводную питьевую воду, и воду более высокого качества, отвечающую требованиям, предъявляемым к бутилированной питьевой воде, и даже воду, предназначенную для детского питания. Сегодня, особенно в арабском регионе, опресненная вода производится в основном для хозяйственно-бытовых нужд, тогда как благодаря российским разработкам можно опреснять воду и гарантированно доводить ее до высокого питьевого качества. Это решит вопрос обеспечения национальной безопасности для тех стран, где остро стоит проблема дефицита питьевой воды.
 
С радиофобией бороться нужно логикой, наукой и экономикой. Логика говорит, что запасы нефти и газа исчерпаемы, что они закончатся. По прогнозам, мировых запасов нефти и газа при существующих темпах экономического развития хватит еще на 60 – 80 лет — это жизнь одного поколения, а что дальше? Человечество все равно будет вынуждено перейти к поиску новых, альтернативных источников энергии. Это и ветровые электростанции, и солнечная энергия, и атомная энергия. Если мы возьмем такую развитую страну, как, скажем, Франция: отключите АЭС, и страна погрузится в темноту! Или возьмите, например, Иран. В Иране много нефти, но они отлично понимают, что нефть когда-то кончится. Поэтому они развивают альтернативные источники энергии, и прежде всего  атомную энергетику. 
 
Кроме того, технологии строительства атомных электростанций совершенствуются, АЭС становятся все более и более безопасными. Если сравнить количество аварий на АЭС с общим числом построенных станций, то процент аварийности окажется незначительным. А в плане загрязнения, например, угольные станции наносят гораздо больший экологический ущерб, выбрасывая в атмосферу пылевые частицы и различные продукты горения. Ядерные технологии гораздо более экологичны. Вот о чем говорит наука. Ко всему прочему, стоимостные показатели АЭС при долгосрочном использовании представляются более выгодными и рациональными.
 
 
Евгений МУРАЛЕВ, 
Директор центра инновационных технологий ТОО «МАЭК-Казатомпром»:
В Казахстане применяются следующие известные на сегодняшний день технологии опреснения морской воды: многоступенчатая дистилляция, обратный осмос и механическая компрессия пара, электродиализ. Расскажу чуть подробнее о последних двух технологиях. Механическая компрессия — процесс, при котором получаемый в последней ступени пар сжимается механическим компрессором и направляется в качестве греющего пара в первую ступень. В электродиализе (electrodialysis, ED) задействованы мембраны двух типов, одна из которых пропускает только катион, другая — только анион; несколько пар таких мембран размещаются между электродами, на которые подается постоянное напряжение, что позволяет удалять соли из опресняемой воды.
 
Важнейшие преимущества дистилляционных установок: минимальное количество используемых химических реагентов, низкие эксплуатационные расходы, большой срок службы — около 30 лет. Термический метод позволяет обессолить воду практически с любыми видами загрязнений и с любым солесодержанием, получая в результате качество, труднодостижимое другими методами. К недостаткам можно отнести высокие удельные капитальные затраты и значительное удельное энергопотребление. Поэтому экономически целесообразно строить эти установки при наличии дешевого источника тепла, например, на площадках действующих или строящихся тепловых и атомных электространций. MVC-установки имеет смысл строить при наличии высоких требований к чистоте получаемой воды и дешевой электроэнергии.
 
Во всем мире для опреснения морской воды чаще всего используются установки обратного осмоса. Они обеспечивают получение воды с заданным качеством. Лидирующее положение этого метода укрепляется по мере продолжающегося прогресса в разработке новых материалов и технологии изготовления мембран. Уровень обессоливания определяется селективностью мембран. Нанофильтрацией можно добиться частичного обессоливания. Это достигается путем удаления солей жесткости вместе с двухзарядными анионами и частично — однозарядных катионов натрия и калия c анионами хлора. Более глубокое обессоливание обеспечивает низконапорный обратный осмос. Максимальная эффективность по всем компонентам обеспечивается обратноосмотическими мембранами, работающими при высоком давлении. 
 
Чтобы обратноосмотические и нанофильтрационные установки функционировали нормально, качество исходной воды, подаваемой на мембраны, должно соответствовать определенным жестким требованиям. Это влечет за собой необходимость организации сложной предварительной очистки, стоимость которой иногда в два-три раза превышает стоимость самой установки обратного осмоса и наличие которой удваивает энергопотребление. Кроме того, сложная технология предварительной подготовки исходной воды требует большого количества химических реагентов, что снижает экологию процесса опреснения воды.
 
При оценке стоимости мембранных установок важно также принимать во внимание температуру питающей воды. Все показатели мембран даются для температуры 25 °C. В реальных условиях температура, как правило, существенно ниже. И получается, что если мембрана при температуре 25 °C дает 500 л / ч, то при 10 °C производительность составляет уже 330 л / ч, а при 5 °C — 250 л / ч. Таким образом, на практике необходимо установить такое количество элементов, которое обеспечит заданную производительность при снижении температуры. Причем число этих элементов может вдвое превысить то, которое нужно для стандартной температуры.
 
Реальный срок службы мембран составляет порой три-четыре года. Все это становится причинами высоких эксплуатационных расходов при использовании обратноосмотических и электродиализных (мембранных) методов. Также к недостаткам данных методов можно отнести низкую селективность существующих мембран по отношению к бору. В результате в получаемой опресненной воде его содержание зачастую превышает предельно допустимую концентрацию для питьевой воды.
 
В то же время обратноосмотические установки имеют достаточно низкую удельную стоимость строительства по сравнению с термическим опреснением, небольшой период сооружения, низкий удельный расход электроэнергии и, как правило, более привлекательную себестоимость получаемой воды, а также не требуют источника тепла. Благодаря этому данный вид опреснения сегодня занимает большую часть мирового рынка.
 
Наше предприятие занимается опреснением морской воды уже более пятидесяти лет. После распада Советского Союза мы долгое время не строили новых установок. Затем в 2007 – 2008 годах ввели в эксплуатацию термическую дистилляционную установку на 12 тыс. м³/ д израильского производства; сейчас в стадии пусконаладки две французские установки общей производительностью 24 тыс. м³ / д. Мы и впоследствии планируем замещать физически и морально устаревшее оборудование новым, более технически совершенным и прогрессивным.
 
В Казахстане вода — объект естественной монополии и подлежит тарифному регулированию. Как правило, антимонопольный комитет оставляет предприятию чистую прибыль не более 5 %. Но для «МАЭК-Казатомпрома» производство воды убыточно. Поскольку цена на воду имеет высокое социальное значение, мы с этим миримся и не сокращаем, а, наоборот, наращиваем ее производство. При этом перед нами поставлена задача существенного снижения себестоимости питьевой воды. В этом свете рассматривается и возможность строительства на предприятии обратноосмотических установок.
 
Работы по созданию собственной опреснительной конструкции были начаты еще в 1990-х годах, затем в связи с тяжелой экономической ситуацией остановлены и возобновлены только в прошлом году. Опытно-конструкторские работы финансируются НАК «Казатомпром». Если финансирование не будет прекращено, надеемся изготовить головной образец до конца 2017 года.
 
Для нас сотрудничество c Росатомом интересно тем, что на основе нашего полувекового опыта эксплуатации опреснительных установок, в том числе в составе атомно-энергетического комплекса и при инженерной поддержке российских институтов, появляется возможность создания нового поколения опреснительных установок, в которых были бы учтены ошибки и использованы достижения различных производителей опреснительного оборудования. И, что для нас наиболее важно, это позволило бы нам локализовать изготовление опреснительных установок, тем самым существенно снизить стоимость изготовления оборудования и, как следствие, снизить себестоимость получаемой опресненной воды.
 
 

 

Подробнее о технологиях

Многоступенчатая дистилляция мгновенным вскипанием — метод опреснения, при котором морскую воду испаряют последовательно через множество камер, в которых постепенно снижается давление.
 
Одноступенчатая испарительная система практически не используется при опреснении морской воды в промышленном масштабе. Такая система имеет коэффициент тепловой характеристики ниже единицы. То есть на производство одного объема воды требуется превосходящий объем водяного пара. Однако понимание этого процесса необходимо, так как это составляющая других компрессионных систем, так же как и MSF-процесса.
 
При многоступенчатой дистилляции морская вода нагревается, проходя через специальный подогреватель. Затем нагретый раствор попадает на ступень с более низким атмосферным давлением — чтобы морская вода закипела. Из-за внезапного попадания в камеру подогретая вода вскипает очень быстро и почти мгновенно преобразовывается в пар. При этом только небольшой процент этой воды — в зависимости от давления, поддерживаемого на этапе, — конвертируется в пар/пары воды. Оставшаяся нагретая морская вода переходит на следующую стадию, где поддерживается еще более низкое атмосферное давление, и опять происходит парообразование. Итерация повторяется снова и снова, вода переходит от одной стадии к другой, при этом она закипает без дополнительного тепла.
 
Обычно MSF-станции включают от 4 до 40 стадий. Пар, произведенный путем вспыхивания, конвертируется в питьевую воду путем конденсации — это происходит из-за его контакта с холодными трубами, которые пропущены через все стадии. Трубы затем охлаждаются поступающей морской водой, подаваемой на подогреватель на первой ступени. А морская вода, наоборот, в результате подогревается, так что объем тепловой энергии, необходимой для поддержания температуры в подогревателе, сокращается.
 
 
Технология обратного осмоса основана на природном явлении, которое лежит в основе обмена веществ всех живых организмов. Явление осмоса наблюдается, когда два соляных раствора с разными концентрациями разделены полупроницаемой мембраной. Молекулы воды проходят через полупроницаемую мембрану со стороны раствора с меньшей концентрацией в сторону раствора с большей концентрацией, до тех пор пока концентрация не станет равной.
 
Разница в высоте уровней двух растворов разной концентрации пропорциональна силе, под действием которой вода проходит через мембрану. Эта сила называется осмотическим давлением. Если же на раствор с более высокой концентрацией воздействует внешнее давление с уровнем выше осмотического, молекулы воды будут двигаться через мембрану в обратном направлении, то есть из более концентрированного раствора в менее концентрированный. Этот процесс и называется обратным осмосом. При этой технологии опреснения вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне. В результате концентрированный раствор становится более концентрированным, а разводимый раствор — более чистым. Таким образом, раствор отделяется от примесей: чистая вода накапливается с одной стороны мембраны, а все загрязнения остаются по другую ее сторону.
 
Отдельные RO-установки представлены в широком диапазоне мощности за счет их модульности. Большие станции могут насчитывать сотни блоков, составленных в стойки. Типичная максимальная мощность станции — 128 тыс. м³/д, но и очень маленькие установки мощностью до 0,1 м³/д также востребованы и используются в маринах, домах и отелях. Источником энергии для маленьких установок обратного осмоса, особенно в удаленных местах, часто выступают фотовольтаические электростанции.
 
Предварительная подготовка исходной воды — существенный этап в работе RO-системы, так как мембраны чувствительны к засорению. Подготовка воды обычно включает стерилизацию исходного раствора, фильтрацию и добавку химических компонентов, чтобы предотвратить образование накипи и обрастание биоотложениями. С помощью насоса высокого давления подготовленная исходная вода проталкивается через пространство с мембранами.
 
 
Многоступенчатая дистилляция предполагает доведение морской воды до температуры испарения в первой колонне и использование образовавшегося пара для нагрева в последующих колоннах.
 
В основном MED проходит при низкой температуре (менее 70 °C). Это ограничивает скорость образования накипи на поверхности трубного пучка, омываемого тонкослойной пленкой испаряемой воды, а также позволяет использовать более дешевые материалы для теплообменников. Однако в ряде отдельных случаев первые ступени могут работать при более высокой температуре: повышение напрямую влияет на отношение получаемого дистиллята к объему исходного пара, и как следствие, на экономику установки.
 
MED, как и MSF-технология, осуществляется путем серии мелких процессов, а давление окружающей среды уменьшается через последовательные действия. Это позволяет питающей морской воде пройти кипение в несколько этапов без подачи дополнительного тепла после первой камеры. 
 
На MED-станциях морская вода входит в первую камеру и закипает после предварительного нагрева в трубах. Морская вода также распыляется или распределяется равномерно на поверхность труб испарителя в виде тонкой пленки для ускорения закипания и выпаривания. Исходная вода нагревается паром из бойлера, который конденсируется на противоположной стороне труб, или иным источником тепла. Конденсат от нагревающего пара снова пускается в оборот. Только часть морской воды, распыленной по трубам в первом действии, испаряется. Оставшаяся вода собирается и отправляется на вторую стадию. Пар, генерируемый в первой камере, подается во вторую камеру для дополнительного подогрева и производит примерно такое же количество пара от кипящей морской воды вне пространства трубы, пока он конденсируется и становится очищенной водой. Процесс растянут на несколько стадий, с 8 – 16 итерациями у типичной большой станции. На последнем этапе пар конденсируется в конечном конденсаторе, где одновременно производится предварительный подогрев исходной морской воды.
 
Многоколонная дистилляция применяется в различных отраслях промышленности, таких, как пищевая (производство сахара и молочная), бумажная, деревообрабатывающая, текстильная, химическая, а также в опреснении. Маленькие MED-станции мощностью менее 500 м³/д применялись в опреснительной индустрии с 1960-х годов. Последующее развитие привело к увеличению удельной производительности установок.
 

 

 

Екатерина ТРИПОТЕНЬ, Александр ЮЖАНИН

17.04.2015

Комментарии 0

Войдите или  зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии

Справка

Примеры ядерного опреснения

Самым крупным парком ядерных опреснительных установок в настоящее время располагает Индия. Эта страна проводила исследования по опреснению с 1970-х годов. В 2002 году в Индии на АЭС «Мадрас» («Калпаккам») была введена в эксплуатацию демонстрационная станция, включавшая два реактора PHWR по 170 МВт, RO-установку мощностью 1,8 тыс. м³/д и MSF-станцию на 4,5 тыс. м³/д. Недавно этот гибридный комплекс был дополнен плавучим RO-блоком. Другая крупная установка производительностью 10,2 тыс. м³/д, основанная на механической парокомпрессии, была введена на АЭС «Куданкулам», цель проекта — получить воду для первого и второго контуров охлаждения, а также обеспечить водой ближайшие населенные пункты. Помимо этого, примерно с 2004 года в Индии функционирует низкотемпературная ядерная опреснительная установка, использующая отработанное тепло исследовательского реактора в Тромбее.
Пакистан в 2010 году ввел в эксплуатацию MED-установку мощностью 4,8 м³/д, объединенную с АЭС «Карачи». Опыт ядерного опреснения имеется и у Японии, где примерно 10 опреснительных установок, соединенных с PWR, производящих электроэнергию, давали порядка 14 тыс. м³/д питьевой воды. Первоначально японцы выбрали в качестве опреснительной технологии MSF, однако впоследствии она была заменена на MED и RO для повышения эффективности. Китай также развивается в этом направлении. Так, китайская CGN ввела в эксплуатацию завод по опреснению морской воды на 10,08 тыс. м³/д, использующий отработанное тепло для обеспечения охлаждающей водой АЭС «Хуньяньхэ». А Южная Корея пока лишь проектирует теплоэнергетическую атомную опреснительную установку на основе малого модульного реактора SMART тепловой мощностью 330 МВт.
 
Однако, при всем многообразии проектов и попыток освоить ядерное опреснение, пока никто не превзошел показатели, достигнутые в Казахстане. Атомный энергетический комплекс, расположенный на полуострове Каспийского моря, в 12 км от города Актау, состоял из реактора БН-350 на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, тепловой блочной электростанции, двух газовых ТЭЦ, 10 многоступенчатых дистилляционных опреснительных установок, станции приготовления питьевой воды, цеха химической водоочистки. Этот комплекс поставлял 135 МВт электрической мощности и производил в среднем 80 тыс. м³/д питьевой воды на протяжении 25 лет. Станция приготовления питьевой воды была построена ближе к городу.
Аналитика