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.
Updates on energy technology 