Update 9, 14 декабря 2017

1. По утверждению исследовательской группы в University of Minnesota цена на «солнечную» электроэнергию, буферизованную при помощи накопителей энергии, в ближайшем будущем сравняется с ценой пиковой «газовой» электроэнергии в штате. В перспективе 10 лет это позволит солнечной генерации начать вытеснять газовую генерацию с рынка пиковой мощности.

 

Источник – University of Minnesota’s Energy Transition Lab, Strategen Consulting, and Vibrant Clean Energy, 2017: http://energytransition.umn.edu/wp-content/uploads/2017/07/Workshop-Report-Final.pdf

2.Продолжается обсуждение корректных методов оценок возврата на инвестированную энергию (ERoEI). В зависимости от используемого подхода имодельных параметров доступные фотоэлектрические источники могут рассматриваться как чистые генераторы (Ferroni F, Hopkirk RJ. Energy Return on Energy Invested (ERoEI) for photovoltaic solar systems in regions of moderate insolation. Energy Policy 2016;94:336–44. doi:https://doi.org/10.1016/j.enpol.2016.03.034) или чистые потребители (Ferroni F, Hopkirk RJ. Energy Return on Energy Invested (ERoEI) for photovoltaic solar systems in regions of moderate insolation. Energy Policy 2016;94:336–44. doi:https://doi.org/10.1016/j.enpol.2016.03.034.) энергии на протяжении своего полного жизненного цикла. Таким образом, в дополнение к экономической безубыточности требуется доказательное обоснование энергетической безубыточности.

3.Продолжаются работы по созданию коммерческих технологий добычи метана газогидратов. За последние годы эта тема стала одной из центральных в добывающей топливной энергетике. Lin Chen и другие (источник [Chen L, Yamada H, Kanda Y, Okajima J, Komiya A, Maruyama S. Investigation on the dissociation flow of methane hydrate cores: Numerical modeling and experimental verification. Chem Eng Sci 2017;163:31–43. doi:https://doi.org/10.1016/j.ces.2017.01.032%5D предложили экспериментально валидированную модель диссоциации метангидратов, которая позволяет оптимизировать перспективные методы коммерческой добычи.

Рис. Термодинамическая область устойчивости газогидратов и методы добычи, источник [Chen L, Yamada H, Kanda Y, Okajima J, Komiya A, Maruyama S. Investigation on the dissociation flow of methane hydrate cores: Numerical modeling and experimental verification. Chem Eng Sci 2017;163:31–43. doi:https://doi.org/10.1016/j.ces.2017.01.032%5D

Рис. Схематическое представление добычи метана из гидратного состояния. Источник – [Maruyama, S., Deguchi, K., Chisaki, M., Okajima, J., Komiya, A., Shirakashi, R., 2012. Proposal for a low CO2 emission power generation system utilizing oceanic methane hydrate. Energy 47, 340–347].

4. Проектирование эффективного и дешевого металлического анода является одним из основных составляющих производства перспективных литий-кислородных батарей, необходимых для транспортных и энергетических приложений. Группа из University of Waterloo заявляет о прорыве, способном увеличить ёмкость батареи до трех раз.
Источник – [Pang Q, Liang X, Shyamsunder A, Nazar LF. An In Vivo Formed Solid Electrolyte Surface Layer Enables Stable Plating of Li Metal. Joule n.d. doi:https://doi.org/10.1016/j.joule.2017.11.009.%5D, https://www.nbcnews.com/mach/science/electric-cars-driving-range-may-be-set-big-step-forward-ncna829361

5. Компания AT&T начинает тестировать информационные передающие линий для подключения клиентов высокоскоростного интернета на основе линий электропередачи. Заявляется о возможности достичь скорости порядка 1 гигабита в секунду.

Источник: Reuters –  https://www.reuters.com/article/us-at-t-internet/att-begins-testing-high-speed-internet-over-power-lines-idUSKBN1E70GB

6. Компания HyperSolar, Inc готовится вывести на рынок новое оборудование для производства «возобновляемого» водорода в сотрудничестве с University of Iowa и University of California. Заявляется работа над технологиями 1-го и 2-го поколения (соответственно аморфные кремниевые солнечные ячейки на основе тройных переходов с целевой стоимостью $4.90/кг водорода и проприетарные солнечные ячейки с использованием наночастиц, которые должны обеспечить целевую стоимость водорода на уровне $2.90/кг). Основная задача разработок – снижение стоимости производства водорода.

Источник – https://fuelcellsworks.com/news/hypersolar-ends-2017-with-significant-advances-in-renewable-hydrogen-technologycompany-unveils-go-t

Update 8, 15 марта 2017

Андрей Ковалёв,
Институт энергетики Высшей школы экономики
AKovalev@energy-hse.com

1.  Цикл Аллама

В настоящее время строится электростанция, работающая по так-называемому циклу Аллама (см. рис.)

Рис. Цикл Аллама (источник – netpower.com)

Цикл использует принцип разделения воздуха до сгорания, что позволяет направлять в камеру сгорания кислород и избавяет от необходимости улавливать углекислый газ после сгорания. Углекислота также является и рабочим телом, при помощи которого реализуется газовый цикл. Часть отработавшей углекислоты направляется в камеру сгорания и повторяет цикл. Часть, восполняемая за счет кислородного сгорания природного газа, отводится в газопровод на захоронение или для последующего использования для закачки в продуктивный пласт месторождения с целью поддержания пластового давления. Характерно, что хотя формально цикл открытый, массовый расход в открытом направлении относительно невелик – около 3% (см. рис.)

Рис. Массовый расход рабочего тела в цикле Аллама. Источник – www.modernpowersystems.com

Известно, что основой цикла служит турбина, использующая закритичную углекислоту.

Рис. Схема цикла Аллама, принятая для демо-проекта. Источник – www.modernpowersystems.com

Как и другие циклы на углекислоте, цикл Аллама включает регенерацию для повышения эффективности (см. узел 7 на схеме цикла). Сообщается, что на выходе из турбины углекислота имеет температуру порядка 750°C, что позволяет нагревать рабочее тело до 720°C перед подачей в камеру кислородного сгорания. На входе в турбину имеется температура порядка 1150°C.

Отличительной особенностью демонстрационного проекта является использование инновационных теплообменников компании Heatric (Heatric’s printed circuit heat exchangers). При помощи технологии печати на основе диффузионного сцепления производителю удалось отказаться от применения сварных и резьбовых соединений в объеме теплообменника. Это дало возможность использовать более высокие давления теплоносителя (до 65 атм), снизить массогабаритные показатели, обеспечить большой диапазон рабочих температур – от криогенных до 900°C, а также повысить качество поверхностей каналов (см. рис.). Заявляется о снижении габаритов на 85% по сравнению с  соответствующими трубчатыми теплообменниками.

Рис. Внутренняя структура теплообменника Heatric. Источник  – Heatric.

Более подробное описание реализации цикла не разглашается, однако известно, что над текущим демонстрационным проектом в La Porte (Texas) работает кооперация, состоящая из NET Power, CB&I, Toshiba и Exelon. В результате реализации проекта планируется построить станцию тепловой мощностью на уровне 50 МВт. Строительство начато весной 2016 года и должно закончиться в 2017 году. В случае успешного завершения демо-проекта в качестве следующего этапа предполагается строительство станции тепловой мощностью 500 МВт. В рамках кооперации Toshiba отвечала за проектирование ключевых узлов: турбины и камеры сгорания. Любопытен выбор материалов: для ротора применяются никелевые сплавы (предположительно TOS1X и TOS3X, разработанные ранее для сверхзакритичных/advanced ultrasupercritical угольных электростанций) в сочетании с хромомолибденовым сплавом (CrMoV) для замены дорогих сплавов на никелевой основе. Заимствование готовых материалов позволило существенно сократить сроки проектирования.

До сих пор по умолчанию предполагалось, что использование кислородного сгорания было дорогостоящим решением, однако разработчики заявляют, что в результате стоимость электроэнергии не должна существенно превысить стоимость электричества, производимого при помощи традиционного газотурбинного цикла.  Предварительно оглашается оценка 6 центов за киловатт-час. Прогресс в области кислородного сгорания маловероятен, поэтому подобные ожидания скорее всего могут следовать из высокого теплового КПД цикла на уровне 59% (LHV) и/или перспективного удешевления турбооборудования по причине перехода на компактные закритичные циклы на углекислоте.

2. Переработка углекислоты

Заявленная закачка углекислоты в продуктивный пласт месторождения не является панацеей для исключения выбросов парниковых газов, так как множество электростанций находится на существенном удалении от мест добычи нефти. По этой причине важны исследовательские работы, направленные не создание методов переработки углекислоты. Одним из таких исследовательских проектов является работа группы в Duke University, где заявлено о создании катализатора на основе наночастиц родия. Катализатор позволяет преобразовывать углекислый газ в метан при облучении ультрафиолетовой частью солнечного света [Xiao Zhang, Xueqian Li, Du Zhang, Neil Qiang Su, Weitao Yang, Henry O. Everitt and Jie Liu. Product selectivity in plasmonic photocatalysis for carbon dioxide hydrogenation. Nature Communications, Feb. 23, 2017. DOI: 10.1038/ncomms14542]:

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O

Для описанного сценария есть ограничения. Очевидным ограничением служит потребление водорода, который в значительной части сам производится при помощи природного газа. Однако существуют и другие методы. Дополнительным ограничением является конкурирующий процесс CO₂+H₂→CO+H₂O.

3. Прогноз по перспективному развитию энергосистем

На площадке Всемирного Экономического Форума представлен доклад The Future of Electricity: New Technologies Transforming the Grid Edge. Доклад подготовлен сотрудниками Всемирного Экономического Форума при участии Bain & Company и ряда экспертов, работающих в энергетических компаниях. В докладе подчеркивается, что в ближайшее время электроэнергетика переживет ряд коренных изменений, выражающихся в трех трендах:  повышение доли электричества в энергобалансе, децентрализация и внедрение цифровых технологий (electrification, decentralization and digitalization), что на протяжении ближайших 10 лет будет вызовет производство порядка 2.4 триллионов долларов добавленной стоимости по утверждению авторов. Основным содержанием изменений будет внедрение эффективных  дешевых интеллектуальных распределенных средств управления энергосистемой на основе интеллектуальных счётчиков (smart meters), позволяющих управлять распределенным производством и распределенным накоплением энергии в сочетании с внедрением интеллектуальных электроприборов (в том числе электромобилей) и управлением потреблением (demand response). Авторы доклада выражают оптимизм в отношении успешности модернизации сети. Однако в ближайшее будущее ожидается усугубление проблем, связанных с интеграцией возобновляемых источников в сеть (см. рис.).

Рис.  Планируемые суточные графики нагрузки в Калифорнии (ГВт) и необходимая мощность накопителей для покрытия пиковых нагрузок. Источник –  The Future of Electricity: New Technologies Transforming the Grid Edge, по данным California Independent System Operator (CAISO).

Авторы исходят из предположения, что основным методом накопления энергия (за исключением гидронасосных станций) в ближайшие десятилетия будут литий-ионные накопители. Причем их стоимость по мнению авторов будет последовательно снижаться (см. рис.)

 Рис. Стоимость литий-ионных батарей, $/КВт-ч. Источник –  The Future of Electricity: New Technologies Transforming the Grid Edge, по данным Bloomberg.

Между тем, группа исследователей показала, что применение интеллектуальных счётчиков может приводить к необоснованному повышению счетов за электроэнергию [F. Leferink, C. Keyer, A. Melentjev. Static energy meter errors caused by conducted electromagnetic interference. IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine, Vol. 5 (2016), #4, p.49 – 55. DOI: 10.1109/MEMC.2016.7866234]. В некоторых случаях превышение составило +582%, причем показания интеллектуальных счётчиков определялось их конструкцией. В частности большие отклонения наблюдались при использовании датчиков на основе датчиков с катушкой Роговского (Rogowski coil current sensors), а также при работе динамических нелинейных потребителей в сети.

4. Новый тип твердотельной литиевой батареи

Группа иследователей из США опубликовала результаты работы над полностью твердотельными батареями (all-solid-state battery cells). По утверждению авторов работы батареи не подвержены возгоранию, имеют большой ресурс, высокую объемную плотность энергии (в три раза выше распространенных литий-ионных батарей) и высокую скорость зарядки. Основное отличие от современных литий-ионных батарей состоит в том, что последние используют жидкий электролит для переноса ионов между электродами. Применение стеклянного электролита позволяет использовать электроды на основе щелочных металлов без опасности образования дендритных структур, способных вызвать короткое замыкание в электролите, которое приведет к возгоранию. Переход к твердому электролиту также позволяет расширить рабочий температурный диапазон, и в перспективе может облегчить переход от лития к натрию, что позволит снизить стоимость батарей и избежать ограничений, связанных с объемами разведанных запасами лития.

 

Update, 16 февраля 2017

Андрей Ковалёв,
Институт энергетики Высшей школы экономики
AKovalev@energy-hse.com

1.  Новые данные по изменению климата

National Centers for Environmental Information (US National Oceanic and Atmospheric Administration) опубликовали данные по состоянию климата в 2016 году. По заявлению организации год был самым теплым с 1879 года, когда организация начала измерения. При этом продолжается отчетливо выраженный тренд в сторону глобального потепления.

Рис. Динамика средней температуры. Источник –NOAA National Centers for Environmental Information, State of the Climate: Global Analysis for Annual 2016, published online January 2017, retrieved on February 13, 2017

На фоне неопределенности, связанной с объективными трудностями предсказания динамики климата, подобные данные будут дополнительным фактором, влияющим на приоритеты технологического развития в энергетике. При сохранении подобного тренда упор будет делаться на технологии снижения выброса парниковых газов и внедрении возобновляемых источников, не производящих этих выбросов.

С другой стороны, прогнозные возможности климатологии пока представляются ограниченными. На фоне прогнозов, выражающих большую вероятность продолжения потепления, выделяются заключения о возможности похолодания. Так, группа в Northumbria University изучила историю солнечной активности и пришла к выводу о ключевом влиянии этого фактора на климат. Из этого сделано заключение о вероятном начале кратковременного периода глобального похолодания около 2020 года, обусловленного изменением солнечной активности.

2. Закритичные циклы на углекислоте

Имеются три простые причины переводить тепловые циклы в закритичную область: повышение мощности, теплового КПД и одновременное повышение компактности оборудования. Эти достоинства влекут в свою очередь дополнительные выгоды. Так, для крупных турбин необходимо изготавливать двойной корпус, внутренняя часть которого имеет качественный аэродинамический профиль, позволяющий повысить эффективность обтекания лопаток и снизить потери. Для более компактных турбин стоимость выполнения таких аэродинамических поверхностей снижается. Также снижаются поверхностные потери тепла в силу уменьшения самой поверхности.
Однако закритичные водяные циклы Ренкина представляют проблему в силу сравнительно высоких термодинамических параметров критической точки воды, которые вызывают быструю деградацию материалов, особенно если нарушаются условия водоподготовки. Это превращается в фактический запрет на использование цикла там, где требуется высокая надежность. По этой причине применение закритичного водяного цикла Ренкина в ядерных электростанциях крайне маловероятно. Между тем, эффективные тепловые циклы с верхней температурой в области 500-900°C необходимы.
Углекислота имеет более доступные критические параметры 30.98°C и 73.77 бар, что открывает широкие возможности для повышения эффективности силовых циклов. Паросиловые водяные циклы включают сравнительно эффективное сжатие жидкой воды, но имеют невысокую температуру перегрева. Газовые силовые циклы имеют значительно более высокую верхнюю температуру, но весь выигрыш по тепловому КПД цикла тратится на малоэффективное сжатие газообразного рабочего тела. Для закритичных циклов на углекислоте имеется возможность объединить два этих достоинства и сжимать рабочее тело в жидкой фазе, достигая высоких температур перегрева пара.

Рис. TS-диаграмма углекислоты. Источник – Sandia.

Кроме того, углекислота имеет меньшую коррозионную активность, чем водяной пар при той же температуре. Наконец, углекислота имеет коэффициент сжимаемости в окрестности критической точки на уровне 0.3-0.5, что позволяет снизить работу сжатия. При этом углекислота сохраняет высокую плотность на протяжении всего цикла. (С другой стороны, это обстоятельство ограничивает расширение в рабочем процессе. Из-за этого регенерация становится де факто обязательным элементом циклов на углекислоте.) Наконец, отсутствие фазовых переходов в углекислоте позволяет устранить перегиб в области насыщенной жидкости, который снижает эффектность теплообмена при рекуперации внешнего тепла (см. рис.)

Рис. Сохранение температурного напора при теплопередаче в закритичную углекислоту. Источник – Echogen Power Systems LLC (Akron, OH U.S.A.)

Терминология: в иностранной литературе сложилась традиция разделять закритичные циклы (однофазные или закритичные циклы Брайтона/supercritical Brayton cycle) и закритичные циклы Ренкина (supercritical CO2 Rankine cycle или transcritical CO2 cycle)

Рис. Transcritical power cycles на углекислоте (a) и воде (b). Источник – [P. Garg, K. Srinivasan, P. Dutta, P. Kumar. Comparison of CO2 and steam in transcritical Rankine cycles for concentrated solar power.Energy Procedia, v. 49 (2014), p.1138 – 1146].

В реальности, в силу необходимости регенерации, вероятно применение смешанных supercritical/transcritical циклов, как в схеме, предлагаемой Sandia Lab, где 40% расхода рабочего тела при регенерации остается в закритичной области, а 60% переходит в двухфазную область при температуре 27°C.

С учетом описанных характеристик есть существенная вероятность постепенного вытеснения водяных циклов закритичными циклами на углекислоте. Разработками оборудования для реализации этих циклов занимаются крупные компании (GE, Sandia National Laboratories/Lockheed Martin company) и более мелкие разработчики (такие как Echogen Power Systems LLC), работающие над демо проектами электростанций масштаба 10 МВт при грантовой поддержке U.S. Department of Energy. Закритичные циклы на углекислоте могут работать с разными источниками тепла (ядерными, солнечными, геотермальными, топливными ячейками) или сопрягаться с традиционными котлами и в таком виде работать с ископаемыми топливами. Причем использование углекислоты может иметь ряд преимуществ. Например, применение натрия в качестве теплоносителя перспективных высокотемпературных ядерных реакторов снимает проблему потенциальной опасности взаимодействия натрия и воды в смежных контурах охлаждения. Однако основным достоинством рассматриваемых циклов может стать дешевизна, обусловленная компактностью оборудования.

Более подробное описание текущих работ по созданию энергетических установок на закритичной углекислоте можно найти в отчете Sandia и других отчетах организации. Также любопытно, что ведутся работы по исследованию более экзотических рабочих тел, таких как гексафторид серы (как по отрывочным заявлениям Sandia, так и по независимым источникам).

3. Гибкие солнечные элементы

Компания SolarWindow заявила об успешной разработке гибкой стеклянной облицовочной панели, способной производить электроэнергию из солнечного света. Предполагается использовать покрытие при строительстве. Разработка ведется на основе сотрудничества (Cooperative Research and Development Agreement, CRADA) с NREL. Технические показатели не называются.

4. Опубликована интерактивная карта стоимости электрогенерации в США

Energy Institute (The University of Texas at Austin) опубликовал интерактивную карту стоимости генерации электроэнергии (levelized cost of electricity) в США.

5. Интеграция солнечных источников

После 6-летнего пилотного проекта в Port Augusta (Австралия) начала работу гидропонная ферма под управлением Sundrop Farms. Энергоснабжение обеспечивается солнечными панелями с концентраторами, которые обеспечивают перекачку и опреснение морской воды. Использование морской воды позволяет отказаться от пестицидов. Сообщается, что при потреблении 1000 тонн воды в день ферма производит 15000 томатов в год. Проект обошелся в 100 млн австралийских долларов. Сейчас компания планирует строительство подобных ферм в Португалии и США.

6. По сообщению Reuters Southwest Power Pool стал первым регионом США, где доля мощности, генерируемой ветряными источниками, превысила 50% текущей нагрузки.

Update 7, 31 января 2017

Андрей Ковалёв,

Институт энергетики Высшей школы экономики

AKovalev@energy-hse.com

1. В Исландии строится геотермальная электростанция на закритичных параметрах пара. Уникальность станции объясняется также планируемой мощностью от 30 до 50 МВт и глубиной скважины, которая должна обеспечить закритичную температуру пара. Предполагается достичь глубины 5 км. Строительство ведётся в рамках проекта Iceland Deep Drilling Project (IDDP). Планируется, что проект станет пилотным, и за ним последуют другие геотермальные станции большой мощности. На пути реализации подобных проектов имеется несколько препятствий. Рассматриваемый проект был запущен несколько лет назад, и в 2011 году скважина было разрушена в результате прорыва магмы. С другой стороны, для реализации проекта необходимо располагать скважину в окрестности магматической камеры. Это влечёт необходимость точного позиционирования скважины относительно магматической или канала, что сейчас пока является результатом случайного стечения обстоятельств. Для более точного позиционирования требуется повышать точность моделей строения вулканов. При современных возможностях позиционирования также варьируется и рабочая температура: от 500С для пара, полученного в 2011 году, до 900С и выше в случае чрезмерного сближения с магматическим каналом. Результатом являются высокие требования к материалам, которые при этом также должны работать в условиях агрессивной среды. Риски касаются не только выбора параметров, но и схемных решений. Например, имеется неопределенность в отношении необходимости нагнетания воды для поддержания потока пара.

2. Рост распределённой генерации
Продолжаются появляться критические оценки перспектив развития централизованных электрических сетей в сравнении с распределенными энергосистемами. Примечательно, что подобные оценки исходят в том числе и от производителей оборудования для централизованной энергетики большой мощности, см. например доклад GE B. [Owens. The Rise of Distributed Power. GE, 2014]. Bakke рассматривает историю развития американской энергетической инфраструктуры [The Grid. G. Bakke. New York: Bloomsbury, 2016] и приходит к выводу, что последняя испытывает системные трудности, связанные с изменением базовых экономических принципов существования этой отрасли. С одной стороны, электрическая сетевая инфраструктура нуждается в масштабных инвестициях, необходимых для модернизации устаревшего оборудования. С другой стороны, и крупные корпоративные потребители, и физические лица постепенно переходят либо к островному режиму работы, либо устанавливают собственное оборудование для электрогенерации и начинают продавать электроэнергию в сеть. Таким образом, сеть постепенно превращается из монопольного поставщика энергии в посредника между точками распределенной генерации и потребления. Кроме того, что сетевые компании вынуждены существовать в условиях падающих доходов, они также ограничены регуляторами, не позволяющими их компенсировать. Результатом является постепенно ухудшающаяся статистика надежности. Рост доли возобновляемых источников и соответствующие повышенные требования по перетоку мощности служат дополнительным фактором, ухудшающим надежность сетей. Это создает дополнительные стимулы для потребителей переходить к собственной распределенной генерации.
Одним из признаков постепенного расширения распределенной генерации является распространение “нетрадиционных” типов генерации, которые еще недавно считались дорогостоящими и малопригодными для малых потребителей. Примером могут служить топливные ячейки.
Топливные ячейки средней мощности постепенно находят распространение для энергоснабжения минисетей. Примером подобного предложения на рынке является компания FuelCellEnergy. Компания производит топливные ячейки мощностью 1.4 МВт. Заявляется о возможности модульной установки для обеспечения поставки мощности до 50 МВт. Подобные проекты могут включать комбинированное производство тепла и электроэнергии. Заявляется о достижении КПД до 60% (LHV). При этом уходящие газы имеют температуру около 160°С, которые могут обеспечивать до 730 КВт тепловой мощности по воде при 49°С для комбинированной установки с номинальной электрической мощностью 4 МВт. Для работы установки необходим природный газ (383 scfm при LHV heat rate 5785 BTU/kWh).
Примечательно, что производитель – компания, основанная в 1969 году, занимающаяся топливными ячейками с начала 90-х годов. Около 10 лет производитель занимался демонстрационными проектами, однако в начале 2000-х годов он начал получать коммерческие заказы на отработанную к тому времени технологию электрогенерации мегаваттного класса на топливных ячейках.

3. Снижение скорости роста объёма угольной генерации в мире и альтернативы углю
Перспективное развитие тех или иных технологий генерации определяется экономическими перспективами внедрения этих технологий на практике. С этой точки зрения представляет интерес информация о планах развития отдельных методов генерации в основных экономиках мира. До настоящего времени наиболее показательным трендом снижения доли угольной электрогенерации было постепенное вытеснение угля газовыми электростанциями и возобновляемыми источниками в США, где доля угольной генерации последовательно падает с конца 80-х годов. Однако крупнейшим производителем “угольного” электричества является Китай. Там объявлены планы прекращения строительства более 100 угольных электростанций общей мощностью более 120 ГВт. Причинами вероятнее всего является снижение темпов экономического развития, в результате чего снижается необходимость строительства новых объектов генерации. Таким образом, в соответствии с изменёнными планами к 2020 году будут построены 180 ГВт угольных электростанций в дополнение к существующим 920 ГВт.
В США, несмотря на общее движение в сторону смещения к возобновляемым источникам, имеются примеры противодействия со стороны угольного лобби. Так, например, Легислатура штата Вайоминг рассматривает законопроект, в соответствии с которым предполагается обязать сетевые компании использовать одобренные типы источников энергии (природный газ, ядерная, гидро- и угольная генерация). Солнечные и ветряные электростанции не попали в этот список. За использование этих источников предлагается штрафовать компании на $10 за МВт-ч [Electricity production standard. Senate file No SF0071. State of Wyoming, 2017].
Вероятная причина появления подобного документа – существенная доля угольной отрасли в экономике Вайоминга.
Между тем, в этом же штате продолжается подготовка к строительству крупнейшей ветрогенерирующей электростанции мощностью 3 ГВт. По сообщению The Denver Post проект уже получил одобрение двух основных федеральных регуляторов, U.S. Bureau of Land Management и U.S. Fish and Wildlife Service. В результате можно ожидать постройки первых турбин в 2018 году. Пока предполагается, что полученная мощность будет направляться на юг Калифорнии по специальной магистральной линии, принадлежащей TransWest Express LLC, дочерней компании той же корпорации Anschutz, что и владеет ветроэлектростанцией при помощи другой дочерней компании. Любопытно, что речь идёт о линии постоянного тока под напряжением 600 КВ и длинной 1350 км (см. рис.) при оценочной стоимости 3 млрд долларов. Планируется, что строительство займёт 3 года, причём сам проект строительства линии разрабатывался с 2005 года.

Источник – TransWest Express

 

4. Статистика по разведке месторождений
Rystad Energy сообщает, что результаты разведки новых месторождений традиционных углеводородов достигли минимума за 70 лет. Этот минимум стал результатом последовательного снижения объемов начиная с 2012 года. Пока что это падение не является проблемой для крупных компаний, которые могут смещать добычу в сторону увеличения доли сланцевых ресурсов. На этом фоне показательно недавнее заявление US Geological Survey об обнаружении крупного месторождения сланцевой нефти в Техасе. Месторождение Wolfcamp shale содержит 20 миллиардов баррелей нефти, 16 триллионов кубических футов газа и 1.6 миллиардов баррелей природного газоконденсата по оценкам US Geological Survey.

5. Рекордное производство электроэнергии на ветровой турбине
Датский производитель турбин для ветрогенерации MHI Vestas Offshore Wind сообщает о новом рекорде суточной выработки электричества: получено 216 000 КВт-ч электроэнергии на модернизированном прототипе турбины V164, чья номинальная мощность увеличена до 9 МВт. 38-тонные лопасти длинной 80 метров установлены на высоте 220 метров, что делает её наиболее крупной установкой такого типа.

Update 6, 19 января 2017

Андрей Ковалёв,
Институт энергетики Высшей школы экономики
AKovalev@energy-hse.com

1. Современные применения тепловых трубок средней и большой мощности

Традиционное применение тепловых трубок – охлаждение электронного оборудования и отвод тепла из области локального тепловыделения, где применение активного охлаждения невозможно в силу конструкционных ограничений. Однако в последнее время находят распространение различные предложения по использованию тепловых трубок высокой мощности.
Так, например, Kim и Bang рассматривают возможность применения тепловых трубок для пассивного охлаждения малых модульных реакторов [K.M. Kim, I. C. Bang. Heat transfer characteristics and operation limit of pressurized hybrid heat pipe for small modular reactors. Applied Thermal Engineering 112 (2017), pp. 560–571]. Авторы исследуют возможность применения тепловых трубок с мощностью теплоотвода 6 КВт для снятия тепловыделения, связанного с пассивным радиоактивным распадом. Естественным барьером для применения типовых трубок в этих целях является узкий эффективный диапазон тепловых режимов, в которых трубка сохраняет работоспособность. При выходе за пределы этого диапазона теплоноситель в трубке полностью испаряется. После этого мощность теплоотвода снижается на порядок и более. По этой причине тепловые трубки могут служить дополнительным средством пассивной безопасности реакторов, но их применение в качестве систем аварийной защиты представляется маловероятным.

Tian, He и Tao исследовали возможность применение тепловых трубок для утилизации тепла уходящих газов [E. Tianm Y.-L. He, W.-Q. Tao. Research on a new type waste heat recovery gravity heat pipe exchanger. Applied Energy 188 (2017), pp. 586–594]. Авторы утверждают, что шлакование теплообменной поверхности традиционных теплообменников снижает их эффективность при работе с загрязненными уходящими газами. Использование тепловых трубок в виде обвязки двух смежных параллельных потоков уходящих газов и “чистого” воздуха по утверждению авторов позволяет снять проблему шлакования и при этом является действенным механизмом утилизации тепла, способным составить конкуренцию традиционному теплообменнику.

Du предлагает использовать тепловые трубки для управления тепловыми режимами солнечных панелей [Y. Du. Advanced thermal management of a solar cell by a nano-coated heat pipe plate: A thermal assessment. Energy Conversion and Management 134 (2017), pp. 70–76. Колебания температуры фотоэлектрических преобразователей сказывается на их эффективности, причём эффект может составлять до 20-25 %. Автор показывает, что применение тепловых трубок может позволить удалять тепло мощностью до 400 ватт на метр квадратный и снижать максимальную температуру панели с 50-70 °C до 40°C, что позволяет избегать проблем со сниженной эффективностью.

2. Коммодификация углекислоты

Выбросы парниковых газов – серьезнейший вызов, стоящий перед современной энергетикой и экономикой в целом, поскольку пока нет возможности отказаться от использования ископаемых топлив в обозримой перспективе. Существующие технологии улавливания углекислого газа работоспособны, но сильно увеличивают стоимость энергетических проектов. Удешевление технологий улавливания было бы полезно, но потенциал снижения их стоимости в реальности также ограничен.
В этих условиях кардинальным решением было бы создание ряда технологий, позволяющих вырабатывать материалы на углеродной основе с использованием углекислоты. При этом появилась бы возможность коммодификации углекислоты, то есть её превращения из “тупикового” экономического отхода, подлежащего дорогостоящему захоронению, в востребованное сырьё. Тогда появилась бы возможность полностью или частично компенсировать издержки улавливания углекислого газа.
По этой причине область зеленой химии, изучающая подобные возможности, важна, но внимание к этой области пока ограничено, хотя углерод рассматривается в настоящее время в качестве одного из самых многообещающих элементов с точки зрения химических технологий и свойств перспективных углеродных материалов. Тем важнее становятся инициативы, нацеленные на развитие подобных технологий. NRG COSIA Carbon XPrize – одна из них.

По сообщениям The Globe and Mail значительная часть компаний, участвующих в данном соревновании, представляют технологии, которые можно назвать модификациями существующих методов улавливания углекислоты или изготовления материалов при пониженных выбросах парниковых газов. То есть речь идёт об инкрементных инновациях, а не об расширенном производстве материалов на основе углекислоты. Пока практика показывает, что прорывные инфраструктурные проекты в области химии углекислоты могут выполняться крупными компаниями, обладающими достаточным научно-исследовательским потенциалом и опытом разработок в смежных областях. Примером таких работ может служить проект Audi e-fuel, направленный на разработку углеродо-нейтрального топлива. Суть идеи – синтез автомобильного дизельного топлива из углекислоты и воды: водяной пар при помощи высокотемпературного электролиза разлагается на кислород и водород, который затем взаимодействует с углекислотой и образует “голубой сырец” (blue crude, по терминологии разработчиков). Последний затем перерабатывается в дизельное топливо. Источником энергии для высокотемпературного электролиза могут служить возобновляемые источники (солнечные батареи и ветрогенераторы). Тогда топливный цикл становится нейтральным по отношению к выбросам углерода в атмосферу.

3. Сети постоянного тока

Соревнование технологий сетей переменного тока и постоянного тока, пока что выигранное первыми, может продолжиться в будущем. В настоящее время получает развитие локальная и малая распределенная электрогенерация без необходимости дальней передачи энергии. С учетом последовательного увеличения доли возобновляемых источников, сети постоянного тока могут получить новый импульс к развитию. Фотоэлектрические генераторы, многие типы накопителей энергии, топливные ячейки и другие типы энергетического оборудования являются источниками постоянного тока, который также может обеспечивать многие энергоэффективные технологии потребления постоянного тока (например, LED-освещение). Ветрогенераторы и микротурбины с буферизацией в виде накопителей энергии также могут быть эффективны как часть сетей постоянного тока. Сейчас подобное оборудование вынужденно работает в сетях переменного тока, что подразумевает преобразование тока, в ходе которого теряется энергия. Несмотря на определенные достоинства, переход к минисетям постоянного тока требует некоторого минимального насыщения рынка энергосервисными компаниями, предлагающими пакетные решения, желательно на основе стандартизованных и взаимозаменяемых схем. Это препятствие ограничивает распространение сетей постоянного тока. Тем не менее, организации, занимающиеся поддержкой развития возобновляемой энергетики, предсказывают постепенное увеличение доли минисетей постоянного тока с одновременным ростом доли соответствующего оборудования на рынке электротехники (см. [IRENA Innovation Outlook Minigrids 2016]).
Также появляются публикации, рассматривающие новые проекты наднациональных сетей. Так, ряд авторов рассматривают экономические, организационные, финансовые и институциональные возможности для строительства European Electricity Supergrid на основе сетей постоянного тока большой мощности [HVDC grids for offshore and supergrid of the future. D. van Hertem, O. Gomis-Bellmunt, J. Liang (eds.). Wiley, 2016]. Среди выводов приводятся заключения о желательности строительства линий постоянного тока высокой мощности для преодоления структурных проблем, стоящих перед европейской электроэнергетикой. В частности, говорится о необходимости строительства подобных линий и сетей для последовательной интеграции возобновляемых источников в энергосистемы. Так же как и на уровне минисетей, развитие наднациональных сетей требует существенных инвестиций. Необходимое для этого удешевление базовой электротехники и электроники подразумевает развитие технологий и повышение эксплуатационных показателей. На масштабе одного-двух десятилетий видно, что этот процесс происходит. Традиционно для сетей постоянного тока большой мощности применялись наиболее распространенные line commutated converters (LCC), ведомые сетью преобразователи),и current source converters, преобразователи – источники тока. Недавно к ним добавился новый тип, voltage source converter (VSC, преобразователь – источник напряжения), который позволяет оперативнее управлять перетоком мощности, чем это было возможно в случае предыдущих двух типов. Кроме того, использование твердотельных устройств позволяет отказаться от компенсаторов реактивной мощности, необходимых для ведомых сетью преобразователей [G. Li, C. Li, D. Van Hertem. HVDC technology overview. In: HVDC grids for offshore and supergrid of the future. D. van Hertem, O. Gomis-Bellmunt, J. Liang (eds.). Wiley, 2016]. Анализ развития подобных технологий позволяет заключить, что за два десятилетия, прошедших со времени появления первых VSC-преобразователей достигнут существенный прогресс по мощности и напряжению преобразователей (примерно на порядок).
Chaudhuri et al. рассматривают состояние технологий многотерминальных сетей постоянного тока, которые могут служить другим примером развития техники в данной области [N.R. Chaudhuri, B. Chaudhuri, R. Majumder, A. Yazdani. Multi-terminal direct-current grids: modeling, analysis, and control. Wiley, 2014]. Авторы указывают, что данная область открывает привлекательные возможности, но её развитие тормозится технологическими ограничениями, связанными с отсутствием быстродействующих систем защиты (хотя сверхпроводниковые прерыватели тока – еще одна область техники, которая может частично заполнить эту нишу), и недостаточной эффективностью VSC-преобразователей. Кроме того, отсутствует значимый опыт управления взаимодействия сопряженными сетями постоянного и переменного тока. Таким образом, представляется, что этот опыт будет постепенно накапливаться по мере внедрения проектов, использующих линии постоянного тока, таких как Zhoushan five-terminal VSC-HVDC Project. Накопление, анализ и распространение подобного опыта могут потребовать еще одного десятилетия, однако дальнейшее развитие сетей постоянного тока и на локальном и наднациональном уровне может ускориться.

Update 5, Jan 9, 2017

Андрей Ковалёв,
Институт энергетики Высшей школы экономики
AKovalev@energy-hse.com

1.  Прогресс в области ионных аккумуляторов

Одна из проблем, касающихся широкого внедрения литий-ионных аккумуляторов, связана с ограниченными извлекаемыми запасами лития. Будучи одной из наиболее разработанных технологий накопления энергии (за исключением гидронасосных станций), литий-ионные накопители тем не менее не могут пока стать магистральной технологией накопления энергии в долгосрочной перспективе в том числе и по этой причине.
Одним из направлений развития, которое может решить эту проблему, является разработка натрий-ионных накопителей. Прямой перенос технологий из литий-ионных аккумуляторов затруднителен, так как интеркаляция ионов лития и натрия отличается. По этой причине требуется создание специальных электродов вместо катодов на основе углерода. Тем не менее, в области натриевых аккумуляторов за последние годы продемонстрирован прогресс [Preetam Singh, Konda Shiva, Hugo Celio and John B. Goodenough. Eldfellite, NaFe(SO4)2: an intercalation cathode host for low-cost Na-ion batteries. Energy Environ. Sci., 2015, 8, 3000-3005. DOI: 10.1039/C5EE02274F]. В частности, появляются заявления о приближении ожидаемых показателей натрий-ионных аккумуляторов к литий-ионным. Например, [Yong Lei et al. Extended π-Conjugated System for Fast-Charge and -Discharge Sodium-Ion Batteries. Journal of the American Chemical Society, 2015, 137 (8), pp 3124–3130. DOI: 10.1021/jacs.5b00336] заявляют о применении ароматических транс-стильбенов (Organic sodium-ion batteries based on π-conjugated systems), позволяющих достичь емкости на уровне 160 мАч/г при плотности тока в 1 А/г.

Вторая возможность восполнения ограниченных природных запасов литий – переработка литий-ионных аккумуляторов. Это направление рассматривается в обзоре Marinos и Mishra [D. Marinos and B. Mishra. Processing of Lithium-Ion Batteries for Zero-Waste Materials Recovery. In: Sustainability in the Mineral and Energy Sectors. S. Devasahayam, K. Dowling (Eds.), CRC Press, 2016]. Анализ показывает, что возможности полной переработки лития с его возвратом в производственный цикл ограничены. Полная переработка требует внедрения широкого ряда разнородных химических технологий, которые имеют эффект с последовательно убывающей полезностью. В настоящее время утилизация литий-ионных аккумуляторов является одной из проблемных областей, которые ограничивают возможности их долгосрочного применения. Кроме того, это бутылочное горлышко связанно с использованием лития в перспективных проектах ядерного синтеза. Так как тритий, используемый в процессе D + T → α + n + 17.6 MэВ, не встречается в природе, его требуется нарабатывать. Для этих целей также планируется использовать литий: Li(6) + n = He(4) + T + 17.6 MэВ. С учетом этого обстоятельства в сейчас представляется приоритетным расширение списка технологий накопления энергии, в том числе создание интегрированных средств накопления энергии, которые не требовали бы применения материалов на основе лития. В этом отношении вызывает интерес совместный проект Max Bögl Wind AG и GE Renewable Energy, предложивших гибридную ветро/гидро генерирующую установку. В данном проекте фактически предлагается интегрированная гидронасосная станция малой мощности с закрытыми резервуарами, встроенными в основание мачт ветрогенераторов.

Источник – GE Reports

 

2. Инновационные ветрогенераторы
Испанский стартап Vortex Bladeless разрабатывает новый тип ветрогенераторов, который не использует турбооборудование. В основе технологии лежит аэродинамический эффект Кармана: пульсирующий вихревой след, образующийся за телом, обтекаемым потоком газа, оказывает пульсирующие нагрузки на само обтекаемое тело.

В данном случае таким телом является мачта. Изгибные нагрузки приводят к её колебаниям, которые передаются при помощи линейного привода на генератор, расположенный в основании мачты. Первоначально разработки использовали пьезоэлементы для производства электричества, но из-за низкого КПД это метода было решено применить механический привод в комбинации с традиционным генератором. Подобное решение позволяет существенно снизить затраты на обслуживание установки и удешевить её, так как нет нужды повышать прочность мачты для установки генератора. Предлагаемая схема лишена ряда недостатков, присущих лопастным ветрогенераторам: она не создает шума, не предоставляет опасности для птиц, почти не требует обслуживания, имеет более дешевую конструкцию, предполагает более плотную установку на единицу площади.

Разработчики заявляют об успешном тестировании образца мощностью 4 КВт и работают на предкоммерческой моделью мегаваттного класса, которая должна быть продемонстрирована в 2017 году. Несмотря на прозрачные физические принципы, на которых основана работа ветрогенератора, пока остаются вопросы, связанные с его ресурсом. Колебания мачты, являющейся активным аэродинамическим элементом, приводят к её усталостному износу. Работа такой конструкции в разных климатических условиях может приводить к ограничениями реального ресурса эксплуатации. Кроме того, необходимо предусматривать специальный механизм, защищающий мачту от сильного ветра. Также остаются неясными основные физические характеристики генератора: возможности управления генерацией, мощностная характеристика в зависимости от скорости ветра и среднегодовое производство электроэнергии в зависимости от средней скорости ветра, что усложняет технико-экономическое обоснование проектов, использующих данное оборудование.

3. Глубоководная добыча нефти

После снижения цен на нефть проекты по глубоководной добыче нефти испытывали постоянное давление в силу проблем с рентабельностью. В этом смысле показательна история развития проекта добычи глубоководной нефти у берегов Гайаны. К конце 2016 годы правительство страны одобрило создание нефтесервисного центра стоимостью USD$500 000 000 на основе государственно-частного партнерства, который должен обеспечить работу проекта по добыче на ближайшем месторождении, обнаруженном Exxon-Mobil ранее в 2016 году на основе данных разведочных скважин Liza-1 и Liza-2. Текущие оценки свидетельствуют о запасах на уровне 1.4 млрд BOE. По сообщениям открытых источников Exxon-Mobil подписала контракты, в соответствии с которыми добыча может начаться в 2020 году. Развитие работ в рамках данного проекта может стать признаком изменения стоимостных показателей при добыче на глубоководных месторождениях, которые позволили бы расширить добычу для этого типа ресурсов при текущем ценовом диапазоне на международных рынках углеводородов.

4. Экономика угольной отрасли

Lars Schernikau [Schernikau L. Economics of the International Coal Trade. Why Coal Continues to Power the World, 2nd ed. Springer, 2016] опубликовал обзор современного состояния экономики международной торговли углем, где утверждает, что отставание недавно введенных в эксплуатацию угольных станций от современных показателей обусловлено отсутствием экономической поддержки развивающимся странам со стороны развитых стран. Анализируя основные тренды, касающиеся угольной отрасли в развитых странах, Schernikau обосновывает тезис об отсутствии связи между глобальным потеплением и антропогенными выбросами парниковых газов, связанными с ископаемым топливами. Указанная точка зрения противоречит более широко распространенному убеждению, что такая связь имеется.
Являясь в значительной части обзором экономики угольно отрасли с точки зрения отраслевого сообщества, “Economics of the International Coal Trade” показывает, что этому сообществу пока не удается предложить позитивной технологической и экономической программы действий, которая согласовывалась бы с широко распространенными опасениями глобального потепления.

Update 4, Dec 27, 2016

Андрей Ковалёв,
Институт энергетики Высшей школы экономики
AKovalev@energy-hse.com

1. Новые данные по возврату на инвестированную энергию – Energy Return on Energy Invested (ERoEI)
Koppelaar [Koppelaar, R.H., Renewable and Sustainable Energy Reviews (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2016.10.077] опубликовал обзор данных по ERoEI и привел к общей базе данные нескольких десятков исследований по возврату энергии с возобновляемых источников (Energy Payback Time (EPT) и Net Energy Ratio (NER) value по терминологии автора). В среднем по полученным результатам моно- и поликристаллические кремниевые солнечные элементы имеют EPT на уровне 3.5 и 2.4 лет при NER 9.7 и 11.4 соответственно. Вместе с тем, различные расчеты ERoEI основаны на разных приближениях и моделях, поэтому имеется существенные расхождения в этих оценках.
Другая недавняя публикация рассматривает ERoEI для других источников энергии: Murphy проанализировал ERoEI для углеводородов [Murphy, D.J., 2013. The implications of the declining energy return on investment of oil production. Philos. Trans. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 372.]. Обзор показывает, что средние ERoEI снижаются и находятся на уровне 17 для традиционных запасов и приближаются к 10 для трудноизвлекаемых запасов. При падении ERoEI ниже 10 соотношение между ERoEI и ценой энергоресурса становится нелинейной.

2. Переход к возобновляемым источникам
По сообщению Las Vegas Review, Лас Вегас стал крупнейшим городом США, питаемым полностью возобновляемыми источниками энергии. При этом стоимость электроэнергии возросла с 10 до 10.3 центов за КВт-час.

3. Литий-ионные сетевые накопители энергии
В то время как 99% емкости сетевых накопителей энергии приходится на гидронасосные станции, продолжаются попытки строительства крупных сетевых накопителей, использующих литий-ионные батареи несмотря на скромные технико-экономические показатели последних. По сообщению The Washington Post в Калифорнии к 2021 году планируется построить литий-ионную накопительную станцию для покрытия пиковых нагрузок Southern California Edison. Речь идет о 18000 модулях общей мощностью 100 МВт и емкостью 400 МВт-ч.
Экономика таких проектов основана на наблюдаемых ценовых трендах на рынках литий-ионных модулей. По сообщению Greentech Media за последние несколько лет стоимость литий-ионных батарей существенно упала. Снижение составило до 70%. Причина – экономия масштаба при расширении производства крупными компаниями (LG Chem, Panasonic и Samsung) и медленное развитие рынка электромобилей, которое заставляет производителей выходить на рынок стационарных накопителей. По оценкам GTM Research к 2020 году стоимость Li-ion батарей может опуститься до 200..250 $/КВт-ч. С аналогичными прогнозами выступает Energy Storage Update. Однако опыт показывает, что эффект экономии масштаба может исчерпываться, и дальнейшее падение стоимости трудно предсказать.

 

 

Update 3: Современное состояние исследований по органическому циклу Ренкина (ORC)

Андрей Ковалёв,
Институт энергетики Высшей школы экономики
AKovalev@energy-hse.com

Хотя ORC представляет собой паровой цикл, сходный с водяным циклом Ренкина, специфические особенности ORC делают его удобным средством для работы с низкопотенциальным и сбросным теплом. В каждом случае успешное применение ORC определяется возможностью интеграции этого цикла в технологический процесс. Tchanche et al. отмечают, что перспективы внедрения ORC зависят от экономической целесообразности, но экономическая целесообразность сама определяется качеством интеграции ORC в рассматриваемый процесс [1].

Первые попытки применения органических рабочих тел в цикле Ренкина относятся к концу ХIХ века [2], примерно через 30-40 лет после работы Ренкина, описывающей одноименный цикл, однако их применение было ограничено. Турбинное оборудование было относительно новой технологией, и разработчики экспериментировали, выбирая разнообразные конструктивные решения. Когда турбостроение стало устоявшейся областью, вода заняла место основного рабочего тела.

В 1920-х в Италии стали предприниматься первые попытки использовать ORC в сочетании с солнечным излучением в качестве источника тепла. Затем на протяжении нескольких десятилетий в этой области имело место медленное развитие, выражавшееся в постепенном росте средней мощности турбин, расширении номенклатуры рабочих тел и ограниченном распространении этого типа генерации. Современный рост популярности ORC начинается в конце 1980-х и связан с задачами энергоснабжения космических аппаратов [3], к которому позже добавились приложения, обусловленные нарастающей популярностью возобновляемых источников энергии и энергоэффективных производств. У органических рабочих тел есть несколько преимуществ перед водой/паром:

1. У многих органических рабочих тел линия насыщенного пара в координатах энтропия-температура имеет большой положительный или отрицательный наклон по сравнению с водой, имеющей пологую линию насыщенного пара. Это позволяет достигать существенного адиабатного расширения без перехода в область влажного пара (или с переходом, но при сохранении степени сухости, близкой к 1). За счёт этого можно избегать эрозии деталей турбины, вызванной потоком влажного пара. С учетом меньших температур это позволяет повысить ресурс турбины. По этой же причине для многих органических тел отпадает необходимость использовать перегрев пара (в особенности если для линии насыщения почти вертикальна: dT/dS_sat>>0), что упрощает реализацию цикла.
2. Удельная теплота парообразования для большинства используемых  органических рабочих тел меньше теплоты парообразования воды. Турбинам малой мощности соответствует малый расход [кг/с] рабочего тела в цикле, а высокая теплота парообразования дополнительно снижает необходимый массовый расход. В результате, относительная величина неравновесных эффектов растет, и изоэнтропическая эффективность цикла  падает. В зависимости от конкретных условий возможность выбирать теплоемкость рабочего тела и теплоту парообразования являются дополнительными степенями свободы, позволяющими оптимизировать цикл.
3. Выбор между несколькими рабочими телами фактически эквивалентен вариации критической точки и выбору функциональной связи между температурой и давлением насыщения рабочего тела, которая для воды является фиксированной. Технически это означает возможность подбирать рабочее тело в соответствии с температурой источника тепла. С другой стороны, имеется возможность снизить величину технического вакуума в конденсаторе по сравнению с водяным циклом.

У органических рабочих тел есть недостатки:

1. Температурный диапазон распространенных органических хладагентов ограничен условием химической устойчивости, поэтому в большинстве практически применяемых циклов ORC температура подвода тепла не превышает 300-320°C. По этой причине использование ORC циклов для утилизации тепла, полученного сжиганием горючих топлив (древесных отходов и др.), представляется малоэффективным. Соответствующий эксергетический КПД низок, так как теплообмен с перепадом температур от пламени до рабочего тела сопровождается потерей возможной работы.
2. Органические хладагенты дороже воды.
3. Их утечка представляет опасность как для персонала, так и для окружающей среды, так как они могут быть токсичны.
4. Преимущества, обеспечиваемые ORC, могут оставаться нереализованными, так как производители из экономических соображений ограничивают номенклатуру рабочих тел и циклов рядом технических решений. Вместе с тем, выбор оптимального в данных условиях рабочего тела и цикла основан на понимании метода оптимизации. В настоящее время методы оптимизации все еще являются предметом исследований (см. ниже).

 

ORC является зрелой технологией с развитым предложением на рынке оборудования. Примером может служить компания Turboden (в настоящее время дочернее подразделение Mitsubishi Heavy Industries.), предлагающая линейку установок для комбинированного производства тепла и электричества в диапазоне от 600 КВт до 10 МВт электрической мощности. В качестве источника тепла может использоваться древесная биомасса, сбросное тепло промышленных процессов, геотермальное тепло. Компания заявляет, что к 2015 году ею построено около 300 установок общей электрической мощностью свыше 408 МВт, при этом суммарная мощность ORC установок, поставленных всеми производителями,  составляет около 2 ГВт и демонстрирует монотонный линейный рост с начала 1990-х годов. Конкуренцию  Turboden составляют Triogen и Ormat.

У производителей существует предложение для комбинированного производства тепла и электроэнергии на базе ORC (рис 3).

Рис. 1. Совместное производство тепла и электроэнергии при помощи органического цикла Ренкина (Triogen заявляет о генерации 130 КВт электрической мощности и одновременном покрытии 700 КВт отопительной нагрузки при доступной тепловой мощности 900 КВт).

Недостатком решения, показанного на рис. 1, является снижение эффективности турбины. В зависимости от графика отопления и температуры окружающей среды, температура охлаждающей воды ORC может обеспечивать питание системы теплоснабжения водой с температурой от 55 до 80°C. В пределах этого диапазона КПД турбины снижается только на 15% (см. рис. 4), но более высокие температуры сетевой воды в системе теплоснабжения делают установку ORC бессмысленной.

При соблюдении установленного в России температурного графика теплоснабжения потребуется либо дополнительный нагрев воды (пиковый котёл или отдельный контур от исходного котла), либо использование количественного регулирования  отпуска тепла (вместо распространенного качественного). Вместо системы теплоснабжения тепло может направляться в абсорбционную холодильную машину (АБХМ), что позволит обеспечить работу системы централизованного хладоснабжения. Однако эффективность АБХМ также прямо пропорциональна температуре источника тепла, поэтому проблема снижения КПД турбины сохраняется. Возможность когенерации изучается в литературе, например, Uris et al. [4] делают вывод об экономической целесообразности таких схем, однако при этом изучается цикл с температурой источника тепла 300°C при выходной электрической мощности в диапазоне 1-2 МВт. Это исключает использование большинства источников сбросного тепла и сужает область применения до относительно высокопотенциального тепла. Tańczuk и Ulbrich [5] описывают несколько проектов ORC и показывают, что в Польше схема когенерации позволяет достигнуть положительного NPV даже при том, что схема моногенерации (электроэнергия) на основе ORC оказалась убыточной.

Несмотря на невысокие КПД, турбинное оборудование по данным производителей окупается за 4-5 лет при наличии у потребителя источника тепла (геотермального, сбросного, солнечного) требуемой температуры. Выпускаемые ORC турбины можно условно разделить на турбины средней мощности (от 500 КВт и выше) и турбины малой мощности. Крупные производители главным образом выпускают турбины средней мощности: по статистике соотношение установленной мощности к продажам составляет в среднем 1 МВт на турбину.   Для крупных турбин актуальны те же технические решения, что и для водяных паровых турбин, включая структуру цикла (использование перегрева, регенерация, закритичные циклы, использование нескольких ступеней и т.д.) в сочетании с использованием турбоэкспандера.

Для турбин малой мощности основным направлением исследований является апробация новых типов экспандеров и роторов. Многие конструкции заимствуются у производителей компрессоров. До настоящего времени популярностью для ORC турбин малых мощностей пользовалась комбинация спиральный статор – спиральный ротор (scroll expander). Фактически эта простая и надежная конструкция с длительным ресурсом является спиральным компрессором, работающим в обратном направлении. Также используются экспандеры на основе винтового зацепления (twin screw) и др. Плюсом подобных решений является дешевизна, однако изоэнтропическая эффективность таких роторов существенно ниже КПД традиционного обтекания лопатки в турбоэкспандере и составляет 40-50%, хотя в лабораторных условиях  эффективность может достигать 70% и выше. К этому добавляются проблемы с низкой эффективностью других узлов, сопровождающие снижение размеров и мощностей.

Для ORC турбин мощностью от 500 КВт характерен выбор между радиальными и осевыми лопатками, обеспечивающими примерно равные КПД, при условии, что радиальная турбина оптимизирована для рассматриваемых условий. В противном случае, её КПД ниже осевой.

Кроме когенерации рассматриваются возможности тригенерации на основе ORC [6]. Авторы утверждают, что тригенерация по схеме рис. 9 возможна, но цена системы в расчете на единицу установленной электрической мощности составляет 4440 £/КВт. Также авторы утверждают, что хотя энергетический КПД тригенерации больше КПД моногенерации (только электрическая мощность), тригенерация менее эффективна, чем когенерации (электрическая мощность и тепло). Кроме того, экономическая целесообразность существенно зависит от цены и качества топлива, а также графика нагрузок. Dincer et al. [7], [8] приводят подробное описание технико-экономической оптимизации систем тригенерации на основе ORC и показывают при помощи технико-экономической модели, что такие системы могут быть окупаемы, а наибольшим эксергетическим КПД и наименьшей стоимостью на единицу эксергии обладают тригенерационные установки на основе солнечной энергии (рис.10).

Таким образом, на основе указанных работ можно заключить, что:

а. эффективность и экономическая целесообразность ORC определяется конкретными частными условиями, особенно в случае ко- и тригенерации,

б. важен оптимальный выбор оборудования.

По этой причине в настоящее время основным направлением исследований по ORC является анализ сочетания ORC с разнообразными типами оборудования и процессами, а также оптимизация в рамках конкретного проекта. Эти работы имеют выраженный прикладной характер и по своим задачам близки к технико-экономическому обоснованию того или иного типа комбинированной генерации [9] или источника тепла [10], [11], [12], [13], [14]. В 2014 году было опубликовано множество подобных работ. В 2015 году это число продолжает расти. Прежде всего, под оптимизацией подразумевается выбор между ORC и другими методами утилизации тепла. Применительно непосредственно к ORC оптимизация означает выбор рабочего тела и основных термодинамических параметров цикла. Теоретический подход основан на традиционном термодинамическом анализе циклов [15], [16], [17]. Примером может служить работа [18], где предлагается расширенное описание проблематики и термодинамические средства для анализа ORC.

По данным моделирования Dai et al. [19] за счет оптимизации режимов работы можно достичь заметного повышения эффективности ORC турбин. В будущем вероятно повышение КПД турбин в 1.1-1.2 раза (на 1..5%) за счёт перехода на оптимизированные режимы работы и выбора рабочих тел, удовлетворяющих специфическим требованиям процесса.

Следующим направлением работ служит экспериментальное (стендовое) исследование циклов – см., например, [20],[21],[22],[23], [24]. Необходимость таких работ вызвана тем, что термодинамические и гидродинамические модели приближенно описывают поведение установок  ORC. Для более точного прогнозирования характеристик циклов требуется прямое измерение. Поскольку основным требованием является устойчивость рабочего тела во всем температурном диапазоне цикла и всем диапазоне давлений, обеспечение этой устойчивости – самостоятельное направление экспериментальных исследований в рамках ORC (см. [25], [26]).

В то время как происходит постепенный рост мощности ORC и расширение рабочего диапазона температур, ограничивающего цикл, еще одним направлением исследований является использование ORC для распределенной микрогенерации. Подобной работой занимается польский Институт турбо-оборудования (Instytut Maszyn Przepływowych im. R. Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk); цель работы – создание нескольких прототипов установок для комбинированного производства электроэнергии и тепла мощностью в диапазоне от десятков КВт до 1 МВт (электр.) нескольких сотен КВт, от  нескольких сотен КВт до 5 МВт (тепловая мощность) [27]. 

Цитированные источники

1. Bertrand F. Tchanche, M. Pétrissans, G. Papadakis. Heat resources and organic Rankine cycle machines. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v.39, p. 1185-1199
2. M. Invernizzi. Closed Power Cycles Thermodynamic Fundamentals and Applications. Springer, 2013
3. Angelino G, Invernizzi C, Macchi E (1991) Organic working fluid optimization for space power cycles. In: Angelino G, De Luca L, Sirignano WA (eds) Modern research topics in aerospace propulsion. Springer
4. Uris, J.I. Linares, E. Arenas. Techno-economic feasibility assessment of a biomass cogeneration plant based on an Organic Rankine Cycle. Renewable Energy, v.66 (2014), p.707-713
5. Tańczuk,R. Ulbrich. Implementation of a biomass-fired co-generation plant supplied with an ORC (Organic Rankine Cycle) as a heat source for small scale heat distribution system – A comparative analysis under Polish and German conditions.Energy,v.62(2013),p.132–141
6. Huang et al. A techno-economic assessment of biomass fuelled trigeneration system integrated with organic Rankine cycle. Applied Thermal Engineering, v.53 (2013), p.325-331
7. A. Al-Sulaiman, I. Dincer, F. Hamdullahpur. Thermoeconomic optimization of three trigeneration systems using organic.Rankine cycles: Part I – Formulations. Energy Conversion and Management,v.69 (2013),p. 199–208
8. A. Al-Sulaiman, I. Dincer, F. Hamdullahpur. Thermoeconomic optimization of three trigeneration systems using organic.Rankine cycles: Part I – Applications. Energy Conversion and Management,v.69(2013),p.209–216
9. Zhao et al.. Integrating solar Organic Rankine Cycle into a coal-fired power plant with amine-based chemical absorption for CO2 capture. International Journal of Greenhouse Gas Control, v.31, p.77-86
10. Walraven, B. Laenen, W. D’haeseleer. Economic system optimization of air-cooled organic Rankine cycles powered by low-temperature geothermal heat sources. Energy, V.80, p.104-113
11. Meinel, C. Wieland, H. Spliethoff. Economic comparison of ORC (Organic Rankine cycle) processes at different scales Energy, v.74, p.694-706
12. Rahbar et al. Modelling and optimization of organic Rankine cycle based on a small-scale radial inflow turbine. Energy Conversion and Management, v.91,p.186-198
13. Safarian. Energy and exergy assessments of modified Organic Rankine Cycles (ORCs). Energy Reports, V. 1(2015), p. 1–7.
14. Li. Thermodynamic optimization of organic Rankine cycle using two-stage evaporation. Renewable Energy, v.75, p.654-664
15. L. Le et al. Thermodynamic and economic optimizations of a waste heat to power plant driven by a subcritical ORC (Organic Rankine Cycle) using pure or zeotropic working fluid. Energy. v.78 (2014), p.622–638
16. Zhao, J. Bao. Thermodynamic analysis of organic Rankine cycle using zeotropic mixtures. Applied Energy, v.130,p,748-756
17. Maraver et al. Systematic optimization of subcritical and transcritical organic Rankine cycles (ORCs) constrained by technical parameters in multiple applications. Applied Energy, v.117, p.11-29
18. Jing Li. Structural Optimization and Experimental Investigation of the Organic Rankine Cycle for Solar Thermal Power Generation Doctoral Thesis accepted by University of Science and Technology of China, Hefei, China
19. Dai,J.Wang,L.Gao. Parametric optimization and comparative study of organic Rankine cycle (ORC) for low grade waste heat recovery. Energy Conversion and Management,v.50(2009),p.576–582
20. Ben-Ran Fu, Yuh-Ren Lee, Jui-Ching Hsieh. Design, construction, and preliminary results of a 250-kW organic Rankine cycle system. Applied Thermal Engineering, V.80, p.339-346
21. Jung, L. Taylor, S. Krumdieck. An experimental and modelling study of a 1 kW organic Rankine cycle unit with mixture working fluid. Energy (in press)
22. Peris et al. Experimental characterization of an Organic Rankine Cycle (ORC) for micro-scale CHP applications. Applied Thermal Engineering, v.79, p. 1-8
23. -Y. Cho, C.-H. Cho. An experimental study on the organic Rankine cycle to determine as to how efficiently utilize fluctuating thermal energy. Renewable Energy, v.80,p.73-79
24. -C. Chang. Experimental study and CFD approach for scroll type expander used in low-temperature organic Rankine cycle. Applied Thermal Engineering, v.73(2),2014,p.1444–1452
25. Pasetti, C. M. Invernizzi, P. Iora. Thermal stability of working fluids for organic Rankine cycles: An improved survey method and experimental results for cyclopentane, isopentane and n-butane. Applied Thermal Engineering, v.73(1),p.764-774
26. Shu et al. Study of mixtures based on hydrocarbons used in ORC (Organic Rankine Cycle) for engine waste heat recovery. Energy, v.74, p.428-438
27. Kiciński, G. Żywica. Steam Microturbines in Distributed Cogeneration. Springer, 2014

Перспективы применения электрогидравлического разрыва пласта

Андрей Ковалёв,
Институт энергетики Высшей школы экономики
AKovalev@energy-hse.com

de Ferron et al. [*: Antoine de Ferron, Christian La Borderie, Franck Rey-Berbeder, Olivier Maurel, Thierry Reess, and Wen Chen. Electrohydraulic Fracturing of Rocks. Wiley, 2016] описывают состояние работ по электрогидравлическому разрыву пласта, проводимым с 2007 в Total Exploration Production, University of Pau, Institute of Civil and Mechanical Engineering at Centrale Nantes. Общая заявленная цель работ — снижение стоимости гидроразрыва при сравнимом повышении дебита скважины. Заявленный механизм реализации – получение плотного массива сообщающихся микротрещин вместо ограниченного числа крупных, характерных для традиционного гидроразрыва. Работы включали экспериментальные исследования и компьютерное моделирование. По утверждению авторов, полевых испытаний не проводилось. В результате работ был показан полезный эффект электрогидравлического разрыва. При этом были выявлены ограничения, связанные с масштабом зоны повреждения по причине затухания волн давления, индуцированных электроразрядом.
Мотивацией для исследований послужили запреты на традиционный гидроразрыв, введённые в ряде европейских стран, которые при этом оказались заинтересованы в создании альтернативных методов повышения производительности добычи углеводородов из низкопроницаемых формаций. Базовый принцип, лежащий в основе электрогидравлического разрыва, — динамическое нагружение коллектора, в отличие от статической нагрузки, создаваемой при гидроразрыве. При динамической нагрузке, по заявлению авторов, в хрупких материалах создаются условия для концентрации механической энергии в малых объемах, что приводит к появлению плотной сети микротрещин. В данном случае источником таких нагрузок является электроразряд (pulsed arc electrohydraulic discharge, PAEDs) в скважинной жидкости. За счёт разряда создаётся скачок давления амплитудой в несколько сотен МПа и длительностью около 100 мксек. Эксперименты на цементных образцах и образцах из песчаника диаметром 100 мм и длиной 125 мм подтвердили дробящее и компрессионное действие волны, создаваемой PAED. Однако экспериментальная установка представляла жесткий контейнер, заполненый водой, в которую был помещён образец. По этой причине механика процесса в полевых условиях будет отличаться от лабораторных работ. Эксперименты показали наличие порогового значения амплитуды волны, свыше которого проявляется остаточное воздействие на образец. Также показано, что повторные импульсы обладают кумулятивным действием по отношению к остаточной проницаемости вплоть до появления макроскопических повреждений.
Вместе с тем, наличие порогового значения означает, что в скважинных условиях повторные импульсы будут воздействовать в значительной части на тот же ограниченный объём прискважинной зоны коллектора. Так что повторные импульсы не решают проблемы затухания волн при удалении от источника. Напротив, местные макроскопические повреждения могут приводить к потенциальному нарушению целостности скважины.
Лабораторные эксперименты на песчанике показали рост проницаемостями с 10^-18 кв. м до 3*10^-15 кв. м при разряде в 15 КДж. Однако эти результаты могут в реальности описывать только ближнюю прискважинную зону.
Численное моделирование, проведенное авторами, показывает распространение фронта импульса. Например, для разряда в 600 Дж в центре разрядного промежутка имеет место пиковое давление порядка 660 МПа. При отклонении всего несколько сантиметров давление падает до порогового значения ниже 100 МПа в приближении сферической волны  см. рис. [Fig. 2.6 в *].

Давление во фронте волны на различных расстояниях от разрядного промежутка. Source – de Ferron et al. (2016) 

Также вызывает вопросы фиксация трещин, создаваемых при описываемой динамической нагрузке, после её снятия. Если для гидроразрыва это задача решается за счет проппанта, то устойчивость трещин, создаваемых при динамической нагрузке, требует пояснений.
Показанные результаты свидетельствуют, что так-называемый электрогидроразрыв пока не может служить альтернативой традиционным видам гидроразрыва. Это не означает, что метод не может применяться в принципе. Например, описанные механизмы могут использоваться для повышения проницаемости прискважинной зоны коллектора. Это может решать проблему повреждения этой области при образовании внутренней глинистой корки, когда формируется скин-слой с высокими гидравлическими сопротивлениями.
В случае генерации сферической волны достигаемая мощность может потенциально позволить обеспечить надпороговое воздействие на расстоянии до 2-3 метров от скважины. Большие глубины проникновения потребуют генерации волны с плоским фронтом. По оценкам авторов приближение к плоскому фронту может удвоить глубину проникновения. Ещё 20-30% роста глубины можно ожидать за счёт профилирования фронта волны.
В итоге, даже с учётом потенциальных путей оптимизации рассматриваемый тип гидроразрыва остаётся пока ограниченным в пространственном отношении. В дополнение к этим ограничениям в реальных коллекторах, в отличие от лабораторных условий, возможно проявление дополнительных эффектов, ослабляющих полезное действие, например дисперсия, разрушающая профиль фронта, отражение волны от естественных неоднородностей коллектора и т.д.

 

Update 1, Dec 14, 2016

Андрей Ковалёв,
Институт энергетики Высшей школы экономики
AKovalev@energy-hse.com

1.Ванадиевые проточные батареи выводятся на рынок
Компания UniEnergy Technology заявляет о скором вводе в эксплуатацию массива проточных ванадиевых батарей в контейнерном исполнении мощностью 600 КВт и емкостью 2.2 МВт-ч с ресурсом порядка 20 лет. Стоимость накопителей составляет 5¢/КВт-ч. Представленное решение предназначено для сетевых приложений, где проточные ванадиевые батареи обеспечивают более высокие эксплуатационные показатели за счет дешевизны и более высокого ресурса по сравнению с литий-ионными. Применяемое решение основано на разработках Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), где ранее был создан новый тип электролита с использованием соляной кислоты. За счет этого удалось увеличить емкость и расширить температурный диапазон использования накопителей до 90 градусов Цельсия, что позволило отказаться от использования регуляторов температуры. В свою очередь, это упростило и удешевило конструкцию. Профильные исследования проводились в конце нулевых годов [Li, L., Kim, S., Wang, W., Vijayakumar, M., Nie, Z., Chen, B., Zhang, J., Xia, G., Hu, J., Graff, G., Liu, J. and Yang, Z. (2011), A Stable Vanadium Redox-Flow Battery with High Energy Density for Large-Scale Energy Storage. Adv. Energy Mater., 1: 394–400. doi:10.1002/aenm.201100008], что позволяет оценить скорость трансфера прикладных разработок и их перехода к стадии коммерциализации. В настоящее время речь идет об установке 2 МВт/8 МВт-ч накопителя для эксплуатации одной из сетевых компаний штата Вашингтон с запуском в январе 2017 года. Также разрабатывается проект установки подобного сетевого накопителя на 200 МВт/800 МВт-ч в Китае (Dalian, China). В случае осуществления этого проекта можно говорить о начале перехода накопителей энергии в диапазон мощностей, сопоставимый с централизованными источниками электроэнергии.

По материалам UniEnergy Technology

2.  Предложен биосовместимый нанопьезогенератор
Группа исследователей в Мичиганском государственном университете (Michigan State University) предложила новый тип нанопьезогенератора (ferroelectret nanogenerator, FENG*). Модель представляет собой многослойную структуру, состоящую из слоёв серебра, полиимида и полипропилена. Достоинствами этой структуры является безопасность для окружающей среды и биосовместимость. Также авторы заявляют о дешевизне нового типа генератора, хотя конкретных экономических оценок не приводится. По совокупности характеристик может идти речь о применении подобных источников энергии в носимой электронике и переносных электронных устройствах.
* Ферроэлектреты (ferroelectrets или piezoelectrets) – тип пленочных материалов, сочетающих пьезо-и пироэлектрические свойства.

Источник – Michigan State University

3. Наносимое термоэлектрогенерирующее покрытие
Другая пленочная структура, уже на основе термоэлектрического преобразователя, продемонстрирована в Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST). Её особенностью является способ нанесения: фактически речь идет о термоэлектрической краске, которая может покрывать большое число типов поверхностей. Состав структуры – теллурид висмута Bi2Te3 и теллурид сурьмы Sb2Te3. В настоящее время разработчики заявляют о плотности мощности на уровне 4 мВт на квадратный сантиметр, что на порядок меньше существующих гибких термоэлектрических элементов. Но технологичный и универсальный способ нанесения позволяет надеятся на возможность коммерциализации.

Источник – Nature Communications

4. Полученные мощности термоэлектрической генерации
Международная группа разработчиков заявляет о достижении высоких мощностей на лабораторных термоэлектрических элементах на основе ряда материалов вплоть до 106 мкВт/(см⋅K2) при комнатной температуре. Это позволяет получать рекордную поверхностную плотность мощности при перепаде 293 K / 868 K на уровне 22 Вт/см2.

Источник – Proceedings of the National Academy of Sciences of the Unites States of America [Ran He, Daniel Kraemer, Jun Mao, Lingping Zeng, Qing Jie, Yucheng Lan, Chunhua Li, Jing Shuai, Hee Seok Kim, Yuan Liu, David Broido, Ching-Wu Chu, Gang Chen, and Zhifeng Ren. Achieving high power factor and output power density in p-type half-Heuslers Nb1-xTixFeSb. PNAS 2016 113 (48) 13576-13581; published ahead of print November 15, 2016, doi:10.1073/pnas.1617663113]

5. Гибридная геотермальная генерация
Запущена электростанция в Cove Fort (Юта, США), представляющая собой первый комбинированный гидро-геотермальный цикл. Станция мощностью 25 МВт потребляет геотермальную энергию, получаемую при температуре около 170 С на глубине свыше полутора километров. Станция принадлежит одному из подразделений Enel, в чьём распоряжении находятся 6 эксплуатационных и 3 нагнетательных геотермальных скважин. Особенностью станции является возможность утилизации энергии нагнетаемой воды за счёт установки турбогенератора в нагнетательную скважину, что позволяет повысить эффективность производства энергии. Строительство подобных станций укладывается в общий тренд по развитию гибридных типов генерации. К их же числу относится другая станция Enel, сочетающая солнечную и геотермальную генерацию Stillwater facility (Невада, США).

Источник – St George News