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