Ice to see you! (TEC10)

В мире льда есть своё очарование. Вещи, которые привычны нам в качестве плещущихся жидкостей, там внезапно становятся твёрдыми, как стекло, а ветренные и невидимые нашему глазу компоненты нашего воздуха — кислород и азот — превращаются там в обычные жидкости, которые, однако, всё же не стоит трогать руками.
Даже отрицательные герои комиксов, которые живут в мире холода, получаются какими-то няшными и мимимишными, как герой Арнольда Шверцнеггера в фильме «Бэтман и Робин» — жестокий, ироничный, но ранимый и нежно любящий свою жену Мистер Фриз:



Однако, разговор у нас сегодня не о мистере Фризе и не о его страшных «лучах холода» (Freeze in hell, Batman!), а об грядущем использовании энергии холода для нужд всего человечества.

Сама по себе постановка задачи об использовании «энергии холода» для людей, знакомых с постулатами физики, уже отдаёт долей ереси, впрочем, как и уже упомянутые выше, совершенно фантастические «лучи холода»
У холодного твёрдого тела (жидкости, газа) и в самом деле не так и много собственной энергии.

Будь мы в условиях какого-нибудь спутника Сатурна (например, того же широкоизвестного Титана), то жидкий азот или жидкий кислород не особо бы помогли нам в деле получения энергии — в общем-то их низкотемпературные, жидкие состояния там практически бесполезны.
Но мы, на нашей Земле, сами не осознавая того, живём с вами в очень тёплом мире. Шутка ли: на большей части поверхности Земли царит комфортная температура в 300 градусов Кельвина, а в какой-нибудь скороварке на вашей плите она и вовсе приближается к 400 К.
Для жидкого азота, с его температурой кипения в 77 градусов Кельвина или для жидкого кислорода с его температурой фазового перехода в 90 К — это просто-таки «адски жарко».
Условия для жидких кислорода и азота в нашем «тёплом мире» сродни условиям для воды на плите, раскалённой до 300-400 градусов Цельсия: эти жидкости жадно адсорбируют энергию из окружающей среды при нагреве.

В этом и состоит фокус криогеники: несмотря на, казалось бы, низкую собственную энергию самих криогенных жидкостей, мы с их помощью можем легко утилизовать тепловую энергию окружающей нас среды, которая при обычных условиях является для нас практически недоступной.

Я уже как-то писал об этом: если у Вас есть бассейн тёплой воды в жаркий летний день — на самом деле с термодинамической точки зрения вы нищая обезьяна. Если же Бог дал вам два сосуда, в которых есть неограниченные количества холода и тепла — вы самый богатый человек в мире.
Именно так поступили , если вы помните, жители небольшого аляскинского города Чена (Chena), которые поставили холод своей природы себе на службу.



Собственно говоря, мистеру Фризу нефиг было тырить бриллианты у жителей Готэма — его технология фантастических «лучей холода» и сама по себе была энергетическим бриллиантом.

В реальной же жизни, пока поставки сжиженного азота, кислорода и СПГ напрямую с Титана на планету Земля пока не налажены, а «лучей холода» у нас и не предвидется, нам приходится использовать для охлаждения газов воздуха гораздо более затратные и сложные процессы.
Как и в случае тепловых машин, в случае холодильников у нас тоже есть свои циклы и свои фамилии, которые были увековечены в названиях холодильных циклов.
Если для тепловых машин у нас есть циклы Ренкина, Брайтона, Стирлинга или Дизеля, то для холодильного оборудования чаще всего применяют циклы Линде, Клода, Гейландта и, особенно, Капицы.
Термодинамические основы всех холодильных циклов хорошо изложены вот тут, об истории изобретения наиболее эффективного цикла сжижиения кислорода и азота, как и об истории «войны за русский кислород», можно почитать здесь, нам же интересно иное: сколько сейчас надо тратить на получение кислорода и азота?

Не вдаваясь во многие технические подробности скажу: сейчас эффективность запасения энергии в сжиженных азоте и кислороде для нормальных условий составляет около 50%.
Как вы понимете, энергозатраты на сжижение чего-либо (воздуха или природного газа) напрямую зависят от того, при какой температуре вы получили исходный продукт на вход холодильной установки.
Скажу, для примера, что при температуре в 300 К (это привычные нам 27 °C) на сжижение килограмма СПГ надо тратить около 3400 КДж, в то время, как при температуре в 240 К (а это — обычные сибирские -33 °C) эти затраты уже составляют всего 1300 КДж на килограмм СПГ — почти в три раза меньше.
Поэтому, как вы догадались, у проекта «Ямал-СПГ» есть и свои преимущества перед проектами СПГ где-нибудь на тропическом Тринидаде или в экваториальной Нигерии. Там холодно. В общем, «в ЦК не дураки сидят, полетите ночью». Ночью сжижать тоже выгоднее, если что. Ценятся ведь каждые 10 градусов.

Для азота и кислорода, как вы понимаете, картинка похожая.

Жидкий кислород, как и масса других «плюшек» криогеники, вроде инертных газов или «сухого льда» (твёрдой углекислоты) сейчас легко утилизируются современной экономикой.
Основным же, «условно бесхозным», свободным компонентом криогенных циклов, оказывается жидкий азот.
Именно на использовании жидкого азота и основаны сейчас большинство идей по облегчению трудного энергетического будущего человечества.

Хорошо, а сколько же энергии «запасёт» жидкий азот при своём сжижении в расчёте на килограмм? Понятное дело, что в жидком азоте нам надо учитывать, что это не собственная энергия азота, а именно та ΔT, о которой мы говорили в рассказе о грустной обезьяне, которая сидит в жаркий летний день возле бассейна с тёплой водой.

Сразу скажу. С бензином эту запасённую энергию и сравнивать-то нечего.
Жидкий азот в собственном фазовом переходе жидкость-газ и в расширении полученного газа от 77 К до условных 300 К может запасти всего около 97 Ватт-часов на килограмм.
Для сравнения — бензин, в случае его использования в двигателях внутреннего сгорания с весьма скромным КПД в 28% имеет плотность энергии в 30 раз больше — около 3000 Ватт-часов на килограмм.
Однако, уже при сравнении с модными сейчас, транспортными литий-ионными батареям, жидкий азот смотрится гораздо убедительнее — современные LiIon батареи имеют плотность энергии в пределах 100-250 Ватт-часов на килограмм.

Кроме того, надо понимать, что у любой химческой батареи есть одна неприятная особенность, которая очень напоминает знаменитый «парадокс ремонта в России»:



Любая химическая батарея получается или мощная — или ёмкая. Но никогда — и мощная, и ёмкая одновременно.
В итоге получается вот такая грустная картинка:



В случае, если LiIon батарея запасает нам искомые 250 Вт-час/кг, её пиковая мощность составляет десятки ватт на килограмм. И для создания более-менее пристойной мощности приходится нагружать автомобиль сотнями килограмм батарей.
В случае же, если мы требуем от батареи «Давай отец, поднажми!», требуя от неё пиковую мощность в пределе до 1 кВт на килограмм, то батарея нам спокойно отвечает: «Куда ж, Глеб Егорыч, у "Студера"-то мотор втрое!» и издыхает уже на удельной энергии в 80-100 Вт-час/кг. Что, опять-таки, вынуждает нас грузить авто сотнями килограмм батарей.

С этой точки зрения жидкий азот уже не выглядит «гадким утёнком» и его запасённая удельная энергия в 97 Вт-час/кг вполне попадает в реалии нового мира дорогой нефти.

Проблема тут, в общем-то, похожа на проблемы батарей: данную энергию жидкому азоту надо в двигателе очень быстро передать.
Тогда мы, в общем-то, можем даже при таких небольших значениях удельной энергии получать хорошие значения удельной мощности двигателя на испарении жидкого азота.

Именно на этой проблеме и «засыпались» первые проекты автомобилей на жидком азоте. Ведь, надо сказать, что первый прототип такого автомобиля был презентован общественности ещё в 1902 году. Тогда этот первый прототип, названный Liquid Air, смог проехать 64 километра по улицам Лондона со средней скоростью в 19 километров в час, потратив на это 64 литра смеси жидкого азота и кислорода.
КПД того, первого прототипа был смешным: по позднейшим расчётам его эффективность, даже без учёта потерь на сжижение воздуха, только на двигателе, составила всего 4%.
От данного прототипа осталось лишь скромное фото:



Как видите — потратить на такую малышку целых 68 литров жидкого воздуха было весьма расточительно.
На фото, за рулём Liquid Air сидит Ганс Кнудсен, датский изобретатель, который и дал «Жидкому Воздуху» путёвку в жизнь.
Однако, как это часто бывает в жизни, алчность и самомнение взяли в этой давней истории верх над честностью и талантом.
Кнудсен, который после изобретения «Жидкого Воздуха» тут же прозвал себя «Гением Двух Континентов» начал поездки по США и по Европе с демонстрацией своего автомобиля и для продажи акций своей будущей компании.
Деньги наш изобретатель получил, да вот только заниматься доводкой своего весьма сырого концепта «в металле» почему-то не спешил, сосредоточившись на шоу показа прототипа, рисовании эскизов новых автомобилей и прожигании жизни в обществе гламурных девиц.
Итогом такого подхода явилось создание Кнудсеном весьма ординарного прототипа автомобиля с обычным бензиновым двигателем — и быстрое банкротство его компании, которое оставило миру лишь полтора миллиона долларов долгов и весьма сырой прототип.

Более серьёзная попытка создания автомобиля на жидком воздухе была предпринята в США, в промежутке между 1912 и 1915 годами.
Два бывших менеджера американской компании «Бьюик» — Уильям Литтл и Уильям Дюран создали опытный родстер Little («Малыш»), который тоже использовал в качестве топлива жидкий воздух:



Этот автомобиль уже был оснащён 20-сильным 4-х цилиндровым двигателем, работавшем на расширении жидкого воздуха, который изобретатели переработали из стандартного двигателя внутреннего сгорания.
По замыслу Литтла и Дюрана их жидко-воздушный «Малыш» должен был продаваться по одинаковой цене с их другим творением — «Шевроле Шесть» и стоить в розницу около 650 долларов. «Малыш» был собран и испытан изобрететелями в 1914 году и показал общую работоспособность концеции.
Однако, трудности в снабжении будущих автомобилистов жидким воздухом поставили в итоге весь проект «Малыша» под вопрос и, в конце-концов, выбор был сделан в пользу бензиновых авто, а проект на жидком воздухе был в 1915 году окончательно закрыт.

К концепции автомобиля на жидком азоте (за время ХХ века люди уже научились разделять компоненты жидкого воздуха) вернулись уже в наше время.
В 2000 году группа изобретателей из Вашингтонского университета создала экспериментальный автомобиль на жидком азоте, который они назвали LN2000.



Для демонстрации концепции под использование жидкого азота был переделан стандартный почтовый грузовой микроавтоус Grumman Kubvan, который на испытаниях развил скорость в 35 километров в час.
Замеры расхода жидкого азота показали, что двигательная система достигла 20% КПД, что уже, в принципе, находилось близко к КПД систем с ДВС.
Однако основная проблема оставалась нерешённой: жидкий азот просто не успевал эффективно расширяться в цилиндрах стандартного типа — теплоотдача через стенки не успевала передать азоту достаточное количество энергии, в результате чего большая часть запасённой в азоте «энергии холода» буквально улетала в выхлопную трубу, создавая парок из жидкого азота вслед за автомобилем:



Конкурировать с бензиновыми и дизельными автомобилями машины на жидком азоте не могли в силу малой удельной энергии жидкого азота, а тягаться с «батарейками на колёсах», то бишь — электромобилями им не позволял низкий КПД преобразования энергии жидкого азота в механическое движение цилиндров.

Надо было что-то придумывать.
И идеи не заставили себя долго ждать.
Но для их реализации жидкий азот сначала всё-таки пришлось снять с колёс и поставить на грешную землю.
И помогли в этом мистеру Фризу проблемы большой электроэнергетики, которые мы рассмотрели в прошлой статье.

Попытки поставить энергию воздуха на службу аккумуляции электроэнергии предпринимались и раньше. Так, первая аккумулирующая электростанция на сжатом, а не сжиженном воздухе появилась в Германии ещё в 1970-х годах.
Аккумулирующая станция под названием Хунторф (Huntorf) и с мощностью в 290 МВт использовала сжатый воздух в качестве аккумулятора энергии:



Однако у сжатого воздуха есть неприятный эффект: при его сжатии он сильно нагревается, в результате чего часть энергии, потраченной на его сжатие, запасается не в виде давления, которое можно как-то с толком потом использовать, а в виде тепла, которое обычно очень трудно уловить, а тем более — долго хранить.
Поэтому часто эта часть энергии просто безвозвратно теряется, а сжатый газ при расширении в турбине очень сильно охлаждается, что негативно влияет на параметры КПД турбинной установки.
Так, станция Хунторф работает c КПД всего лишь в 42%, что где-то вдвое меньше КПД гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС), которые обосновано считаются «золотым стандартом» аккумуляции электроэнергии.

Конечно, в современных системах аккумуляции электроэнергии стараются идти на различные ухищрения, чтобы «добыть» побольше энергии из упрямого газа. Так, например, в аккумулирующей станции Макинтош (McIntosh) в Алабаме, которая имеет мощность в 110 МВт для прогрева расширяющегося воздуха используют сжигание природного газа:



Однако, сжигать дополнительно по объёму к воздуху ещё и 30-40% природного газа, для того, чтобы достичь КПД в 82%, не улыбается особо никому — и поэтому все искали (и ищут) удобные замены сжатому воздуху.

Такой заменой и оказался для большой энергетики сжиженный воздух.
Авторство идеи об утилизации избыточной генерации энергии путем сжижения атмосферного воздуха принадлежит профессору Университета Лидс китайцу Юлон Дину.
Работоспособность концепции Дина была доказана на первой же экспериментальной установке мощностью 5 кВт, построенной в 2010 году компанией Highview Power Storage на крупнейшей в Британии 100-мегаваттной ТЭЦ Слау, которая работает на древесных отходах. В течение девяти месяцев установка исправно «отгружала» в сеть запасенные ночью дешевые киловатты с эффективностью более 50%, а в режиме принудительного прогрева жидкого воздуха при помощи отработанного теплоносителя с температурой 110–115°C, КПД установки достигал солидных 70%, вплотную приближаясь к КПД ГАЭС.

Успех пилотного проекта был закреплен незамедлительно. На правительственный грант в 1,1 млн. фунтов на той же ТЭЦ Слау уже в 2011 году была построена пилотная аккумулирующая станция на жидком азоте мощностью уже в 350 кВт и с емкостью хранилища в 2,5 МВт-часа по энергии, что соответствет 4–8 часам работы в сеть с полной нагрузкой.

Вопрос принудительной передачи энергии расширяющемуся азоту был взят под чёткий и непосредственный контроль. Жидкий теплоноситель с температурой 110–115°C вместо атмосферного воздуха с температурой  20–30°C совершил в криогенике «маленькое чудо».

Результаты для транспорта не заставили себя ждать.
В феврале 2011 года от Highview Power Storage отпочковалась небольшая компания Dearman Engine, которая уже замахнулась на «святое»: изобретатель Питер Дирмэн сообщил, что намерен дать миру компактный двигатель на жидком азоте, который повторит успех по КПД, достигнутый стационарными установками на ТЭЦ Слау.

Первая версия агрегата, собранная Питером в 2001 году, до сих пор пыхтит под капотом его старенького Ford Fiesta, легко разгоняя машину до скорости в 50 км/час, недостижимой для LN2000:



Концепция Дирмэна и проста, и сложна одновременно: жидкий азот и нагретый до высоких температур теплоноситель смешиваются непосредственно в цилиндрах его экспериментального двигателя, позволяя жидкому азоту мгновенно достигать громадных значений пиковой мощности и полностью передавать (и точнее — забирать) свою «энергию холода» в окружающую среду.

Сейчас Дирмэн доводит свой агрегат до промышленного образца и на 2014 год проанонсировано создание двигателя для автомобиля, который будет иметь мощность в 30-40 кВт и позволить добиться значений КПД, «сравнимых по значению с КПД стационарных установок аккумулирвания электронергии».
Надеюсь, Питера Дирмэна не погубят алчность и самомнение, как это случилось с дедушкой автомобиля на жидком воздухе — Гансом Кнудсеном.
По крайней мере — его гараж где-то в Англии, где он собирал свой первый двигатель, очень напоминает мне гараж моего хорошего друга, который собирает в Днепропетровске небольшие ORC-установки:



Я верю в тебя, мистер Фриз,



где бы ты сегодня конкретно не находился — в Чене, в Лондоне, в Вашингтоне, в Москве, на Ямале — или в родном мне Днепропетровске.
Let's kick some ice! Winter has come at last.