Технологии будущего 3: Солнечный Израиль, туманная Аляска, холодная Россия

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:

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°.

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.

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:

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. :)