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.
Updates on energy technology 