Солнечный Израиль, туманная Аляска, холодная Россия (3)

Несколько слов о пользе хорошего слуха.

Первый раз идея приделать фреоны к чему-нибудь, кроме холодильников и кондиционеров родилась в солнечном Израиле. Как и многие революционные идеи, она родилась совершенно неожиданно даже для своего создателя дорогой, я беременна и возможно папа - ты. Создателем идеи построить на фреонах генерацию электрической энергии был еврейский учёный Гарри Зви Табор (Harry Zvi Tabor):


http://en.wikipedia.org/wiki/Harry_Zvi_Tabor

Табор был пионером использования солнечной энергии - в настоящее время 95% израильских домов оборудованы солнечными нагревателями воды его конструкции. Однажды, оставшись в опустевшем офисе свого Национального Физического Центра допоздна, Табор, собираясь уже всё-таки идти домой, и сложив все свои нехитрые научные причиндалы, пошёл выключить систему центрального кондиционирования здания центра.
Выключив рубильник и невольно прислушавшись к наступившей тишине, Табор вдруг, через несколько минут, услышал кипение фреона в конденсаторе мощного кондиционера здания и шум вновь заработавшего компрессора, который был раскручен испаряющимся фреоном. Нагревшиеся за день конструкции здания испарили жидкий фреон в конденсаторе и заставили компрессор закрутиться в обратную сторону.
Для того, чтобы понять, насколько этот факт воодушевил Табора, надо рассмотреть устройство обычного кондиционера:


Кондиционер. Упрощённое устройство. Красное - жидкость, синее - газ.

Газообразный фреон поступает на вход компрессора (compressor). Компрессор сжимает фреон до высокого давления в конденсатор (condenser), в котором фреон переходит в жидкое состояние, конденсируясь при высоком давлении. Именно конденсатор вы обычно видите на задней стенке вашего холодильника или на наружной стене здания - из этой части кондиционера или холодильника собственно говоря и "выдавливается" лишнее тепло.

Далее фреон из конденсатора поступает в специальное устройство - расширяющий клапан (expansion valve), который резко понижает давление фреона. При понижении давления жидкий фреон, как и любая жидкость, начинает кипеть и удовольствием отнимает на своё кипение энергию из окружающей среды. Именно этот отъём энергии охлаждает внутренние стенки холодильника или внутренний блок сплит-системы кондиционера. Происходит это ещё в одном теплообменнике - испарителе (evaporator). Поэтому, для охлаждающих систем, навроде холодильников и кондиционеров важно, чтобы фреон при рабочем давлении в испарителе кипел при температурах ниже потребной температуры в помещении или в морозилке холодильника. Например, бытовой фреон R-134a кипит при температуре -26,5 C°, чего вполне хватает для охлаждения помещения до комфортных 18-20 С°.

Однако, поскольку здание Национального Центра в тот день нагрелось за дневное время до высоких температур - фреон начал закипать даже при достаточно высоком давлении в конденсаторе! Табора осенила простая, но очень важная идея - несмотря на выключенное электропитание кондиционера, сжатый фреон, нагреваясь от тепловой энергии конструкций здания, смог раскрутить компрессор, превратив его в источник механической энергии! Принцип был понятен, осталось лишь превратить случайную находку в действующий прототип силовой установки.

Такой прототип был изготовлен Табором совместно Люсьеном Бронски и был представлен им на Конференции ООН по вопросам новой энергетики, которая состоялась в Риме в 1961 году. Этот прототип ОРЦ-турбины (ORC-turbine, Organic Rankine Cycle turbine, турбина органического цикла Ренкина), мощностью всего в 3 кВт, был первой ласточкой новой технологии, которая вскорости начала прокладывать себе путь в будущее.

Чена - история тепла и холода

В слове этом - суровая ласка.
Отзвуки тайны и сказки.
Незабудок синие глазки,
Моря, неба и гор неостывшие краски.

Люди, которым верь без опаски:
Моряки, альпинисты, идущие в связке.
Веер древних племен: инуит, атабаски:
Край, который не терпит ни фальши, ни маски.

Это имя звучит - Аляска!
Борис Юрцев, 1993

65 градусов северной широты. Горы, холод и лесные пожары вокруг. Не Россия.

Что делать - если вы живёте в медвежьем углу на краю Аляски? Если ваши счета за отопление и электричество отнимают больше 25% вашего дохода? Если срыв подвоза дизельного топлива в ваш город, в котором живёт всего около 2 000 человек, может оставить вас среди зимы без электричества, воды и тепла?

Сдаться и смириться? Нет!
Ведь под ногами у вас, на глубине всего 50 метров есть тёплая вода температурой в 75 градусов Цельсия, а вокруг Вас - море холода. Ведь вы - на Аляске!

Как учит нас дедушка Карно, любой термодинамический цикл работает на самом деле не от температуры (T), а от разницы температур (ΔT).
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.

Поэтому, жители Чены, заплатив в 2005 году в очередной раз больше 600 000 $ США только за дизельное топливо для своего дизелька, от которого зависело всё и вся в их медвежьем углу, всерьёз задумались - а можно ли как-то использовать свой потенциал геотермальных вод?

Напрямую, в виде водяного пара, энергию геотермали использовать было невозможно - температура воды в Чене была много ниже точки её кипения при нормальном давлении. Поэтому для реализации геотермального проекта годилось бы только решение, в котором теплоноситель второго контура, получая тепло от геотермали, кипел бы при значительно более низких температурах, производя пар, необходимый для работы турбины.

Дополнительно задача усложнялась тем, что жители Чены не могли позволить себе большой инвестиции - максимально возможная стоимость киловатта установленной мощности не могла превосходить 1 300 долларов США. В противном случае банк отказал бы Чене в предоставлении кредита. Мир жесток, детка. А мир банкстеров жесток безумно.

Выход был найден после переговоров с компанией UTC (United Technologies Corporation), подразделением компании "Пратт и Уитни", которая занималась производством топливных элементов и экспериментировала с низкотемпературными ORC-установками.

К тому времени UTC уже на протяжении 2-х лет испытывало на хладогенте R-245fa свою 200-киловаттную систему PureCycle, которую принципиально можно было, путём замены теплоносителя на более низкотемпературный, заставить работать даже на перепаде 75 С° нагревателя и 7 С° холодильника. Дополнительным преимуществом покупки установки от UTC для Чены было то, что на свой бывший в употреблении тестовый образец UTC давало хорошую скидку. По сути дела, особо ничего UTC на этой сделке не теряло, поскольку установка представляла из себя списаный промышленный кондиционер Carrier, который небольшими переделками превратили в экспериментальную ORC-турбину

Проблемой переделки системы под низкотемпературный цикл фреона R134a было то, что ΔT условий Чены составляло всего около 68 С°, что накладывало очень жёсткие условия на потребление энергии самой установкой. Так, например, подачу охлаждающей воды пришлось решать организацией "самотёка" из колодцев, вырытых выше по склону горы.

В процессе реализации проекта много раз пришлось пересматривать смету, учитывая требования 100% автономного энергоснабжения. Так, для обеспечения резервирования пиковой мощности потребления, пришлось установить банк аккумуляторных батарей ёмкостью в 30 000 А-ч.

Поэтому в лучших традициях постсоветского пространства все коммуникации за пределами машинного зала вынужденно были выполнены из бывших в употреблении труб. Но стоимость установки не перешагнула рубеж в 1 300 $ за киловатт. Проект, в который никто не верил, был реализован усилиями энтузиастов и верящих в своё будущее простых людей.

Уже через год, основываясь на опыте первой установки, UTC Power поставило в Чену второй аналогичный агрегат, доведя общую выработку электроэнергии до 420 кВт.

Результат усилий Чены и UTC (параметры одной установки):
Температура воды на входе: 75 С°
Давление теплоносителя R134a на входе: 16,8 атмосфер
Температура охлаждающей воды: 4-7 С°
Давление теплоносителя R134a на выходе: 5,2 атмосфер
Общая мощность турбины: 250 кВт
Собственные нужды: 40 кВт
Чистое производство электричества: 210 кВт
Чистый КПД установки: 8,2%
Топливо: Бесплатно
Опыт: Бесценен!

Случайный пожар на установке, случившийся через год после пуска второго агрегата по неосторожности сварщика, и уничтоживший всю систему управления машинами, был досадным, но уже несмертельным ударом для жителей Чены.

Установки не пострадали - R134a, как и большинство промышленных фреонов, негорюч. Через 2 месяца энергоснабжение Чены от геотермали было полностью восстановлено.

http://www.chenahotsprings.com/geothermal-power/

"Газпром" - мечты сбываются.

Теперь вернёмся в Россию.
Страна Россия - протяжённая, холодная, но за последнее время, стараниями народа, её населяющего - уже гораздо более обжитая и наполненная многими интересными инфраструктурными объектами:


Система магистральных газопроводов.

http://www.energyland.info/analitic-show-9715

В России действует самая протяженная газотранспортная сеть в мире, включающая 155 тыс. км. магистральных газопроводов. Более 4 000 газоперекачивающих агрегатов (ГПА) суммарной мощностью 44,2 ГВт  ежегодно перекачивают около 700 млрд. куб. м. природного газа на расстояние в тысячи километров. Около 85% ГПА имеют привод от газотурбинных установок с к.п.д. всего лишь в 23-35%. Это значит, что 1,2-1,3 млн. ГДж тепла в год (температура выхлопных газов достигает 500 ºС) выбрасывается в атмосферу! Используя это тепло, можно было бы обеспечить около 5 ГВт столь необходимой в России электроэнергии.

5 ГВт электроэнергии - это строительство 5 энергоблоков типа ВВЭР-1100. В современных ценах это составляет около 10 млрд. долларов. В дальнейшем эти АЭС надо снабжать ядерным топливом и обеспечивать захоронение отходов их производства.

Поэтому, предлагается построить: и 5, а может быть и 10 энергоблоков ВВЭР - с одной стороны, и снабдить все системы промышленных тепловых выбросов системами ORC -  c другой стороны. Я думаю, что если один только "Газпром" вполне может дать в общую электрическую сеть около 5 ГВт мощности, то вся оставшаяся экономика, включающая коксовые батареи, доменные печи, прокатные станы, фарфоровые заводы и пр. и пр. сможет наскрести бесхозных тепловых выбросов ещё на 5 ГВт.

Ну, и кроме этого, можно будет вовсю заняться утилизацией распределённых геотермальных ресурсов и ресурсами биомассы, которых в России просто никем не считано. ;)
Ведь, если посмотреть на вопрос термодинамически - Россия - это страна с самым высоким параметром ΔT в мире. Мы - отнюдь не нищие обезьяны возле бассейна с тёплой водой в жаркий день. Мы - люди, которые обладают территорией с самым высоким ΔT в мире. :)

Поэтому, не исключено, что скоро мы сможем увидеть воочию ещё одну фантазию моего земляка Исаака Озимова:

"- И днем и ночью внутренности планеты теплее, чем ее поверхность, следовательно, тепло самопроизвольно перетекает изнутри к поверхности. Полагаю, вы знаете и это тоже.
- И что из всего этого, Бэндер?
- Поток тепла от горячего к холодному, имеющий место согласно второму закону термодинамики, можно заставить делать работу.
- Теоретически да, но солнечный свет слишком рассеян, тепло поверхности планеты еще меньше, а темпы, с которыми тепло уходит изнутри к поверхности, вообще ничтожны. Количества тепловых потоков, которые можно использовать, вероятно не хватит даже для того, чтобы поднять гальку.
- Это зависит от устройства, применяемого для этой цели, - сказал Бэндер. - Наш инструмент развивался тысячи лет."

Айзек Азимов. "Основание и Земля"

Подробности, для самостоятельного изучения вопроса - по приведенным ссылкам.