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.
Updates on energy technology 