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.