У жидкого воздуха есть уникальные свойства - он вездесущ, принадлежит всем и его не нужно извлекать из недр земных. Сейчас криоэнергетику (жидкий воздух) рассматривают только как способ хранения энергетических ресурсов, тогда как область ее применения может оказаться гораздо шире и энергополезнее.
"Я увидал огромный отлогий кратер, подобный лунному… Совершенно гладкая, пологая воронка… Было очевидно, что ветер направлялся куда-то под землю. Это было непонятно и бессмысленно, как ноздря Ай-Тойона".
В далеком 1929 г. вышел в свет роман советского писателя-фантаста Александра Беляева "Продавец воздуха". Это история о плохом человеке, английском коммерсанте мистере Бейлизе, сжижающем в огромных количествах на своей секретной фабрике в Якутии атмосферный воздух и запасающем полученную жидкость в специально оборудованных подземных хранилищах. Он орудует с таким размахом, что на Земле изменяется климат. Фантасты, как всегда, определили научные публикации… Но, похоже, мистеров бейлизов не только в Якутии, во всем мире многократно увеличилось за последние годы.
Энергоблок на жидком воздухе в Великобритании
В июле 2011 г. прозаично-буднично прошло событие, значимость которого для истории, возможно, еще придется переоценить. На расположенной в английском городе Слау (Slough) электростанции Scottish&Southern Energy (SSE) заработал первый в мире энергоблок на жидком воздухе. Пусть его мощность составляла всего
350 кВт, но он был подключен к национальной энергосистеме и нес нагрузку в пиковом режиме как полноценное энергохранилище, способное обеспечить потребителей 5 МВт·ч электрической энергии.
Фирма Highview Power Storage реализовала проект в полном наборе - воздухоожижительная установка, перерабатывающая атмосферный воздух в жидкость светло-серого цвета температурой -196оС, два стандартных 10-тонных криогенных термоса конструкции Дьюара, в которых эта жидкость неделями может находиться при атмосферном давлении, и регазификатор-турбина-генератор как конечный каскад.
Нагретый жидкий воздух при возвращении в газовое состояние расширяется в 700 раз, что позволяет ему вращать соединенную с электрогенератором турбину. На станции фирмы SSE, где основное количество электроэнергии производится путем сжигания древесных отходов, агентом регазификации воздуха выступил отработанный пар температурой 110–1150С. Рекуперация тепловой энергии в цикле прогрева испарителей обеспечила КПД системы порядка 70%.
Чтобы необычность не затмила метод
Авторство идеи приписывают английскому профессору китайского происхождения Юлону Дину (Yulong Ding) из университета в Лидсе. Жидкий воздух совсем не экзотика, французская фирма Air Liquide S.A. ведет свой бизнес с 1902 г. и распространила его на 80 стран мира. Поэтому удивительно, что до Дина никто не догадался сложить, не говоря уже о патентовании, конструктор из известных более ста лет деталей.
Но необычность/простота метода не должны затмевать его достоинств: никаких выбросов вредных веществ в атмосферу, никаких парниковых газов, перевод установки из состояния покоя в рабочий режим занимает считанные минуты. Станцию можно оснастить так называемой виртуальной трубой - жидкий воздух (азот) вам доставят "на дом" хоть автомобильными цистернами, хоть танкерами-рефрижераторами.
Эксплуатация станции, состоящей из стандартной 10-тонной емкости и турбогенератора, которые можно взять в аренду, обойдется домохозяйствам дешевле дизельной установки - вот она, казалось бы, напророченная Джереми Рифкиным (JeremyRifkin) третья промышленная революция…
Однако человечество, озабоченное проблемами обеспечения устойчивого развития, не возопило от радости, обретя технологию, зеленее которой не бывает. Самое простое - списать это на недооценку масштабности явления. В настоящее время область применения новшества ограничена восприятием LAES (или под другой аббревиатурой - CES), что означает жидковоздушное энергетическое хранилище (Liquid Air Energy Storage или Cryogenic Energy Storage).
О неоднозначном отношении к энергохранилищам
К энергетическим хранилищам отношение двойственное: от восторженности Дэниела Эргина (Daniel Yergin), объявившего их воплощением Святого Грааля наших дней, до скептического наподобие "почему хранение энергии бесперспективно" (Why energystorage is a dead-end industry) на сайте Energy Storage Report.
Англичане, законодатели моды в сфере криогенных хранилищ, строго стоят на своем - даже в патенте значится, что схема виртуальной трубы, CryoGenSet, предназначена для экстренного обеспечения электроэнергией объектов типа больниц, общественных зданий и т.д.
Этой линии придерживаются и украинские ученые, известные специалисты по холодильной технике Г.Лавренченко и А.Копытин. В своей статье для специализированного журнала они отмечают: "С помощью CES-технологий можно создавать виртуальную криогенную трубу для резервирования энергии и ее потребления в короткий промежуток времени".
Но давайте посмотрим шире - мир буквально опутан криогенными виртуальными трубами. Пусть не на жидком воздухе (азоте), а на сжиженном природном газе (СПГ или англ. LNG).
Технология практически аналогична жидковоздушной - холодильный завод и виртуальная труба в виде танкеров-рефрижераторов с терминалом-регазификатором в порту назначения. Недостает лишь выработки электроэнергии в пункте регазификации, хотя сжиженный природный газ пусть и не в 700 раз, как жидкий воздух, но в
600 раз расширяется при нагревании, чего вполне достаточно для вращения электрогенератора. Почему это свойство газа у нас не используют? Дорого? А импортировать дешевле?
300 млн т в год (1 млн т СПГ - это 1,36 млрд кубометров природного газа при нормальных условиях). И никого не останавливают соображения по поводу a dead-end industry, хотя трансформация природного газа в жидкое состояние настолько энергоемка, что забирает десятую часть ресурса. Прогноз развития производства в секторе обещает к 2025 г. почти двукратное увеличение мощностей - до 650 млн т. Одна только Япония ежегодно потребляет более 118 млрд кубометров газа.
Как Катар обошел всех в экспорте сжиженного газа и почему регазификация газа не приносит энергии
Производство, начатое в 1964 г. с эксплуатации первого промышленного предприятия в Алжире, с определенного момента развивается так стремительно, что Катар, присоединившийся к бизнесу в 1997 г., сейчас обошел всех и ежегодно экспортирует более 106 млрд кубометров (около 44 млн т) продукции.
Но СПГ - это джин, посаженный в лампу для удобства перевозки, и только. И хорошо бы, чтобы, покидая лампу, этот многократно увеличивающийся в объеме джин покрутил турбину и генерировал электроэнергию. Бросовый сейчас ресурс, но лишним точно не будет.
Криоэнергетика вполне может превратиться в новый сектор энергетики - ее поле гораздо обширнее СПГ: крупный металлургический комбинат за день расходует более 3 тыс. т жидких газов, а таких комбинатов по миру - сотни. На процессах хранения и упаковки пищевых продуктов задействовано столько жидкого азота, что атмосфера этих производств давно стала модифицированной, она так и называется: Modified Atmosphere Packaging.
В начале 2011 г. от Highview Power Storage отпочковалась компания Dearman Engine с Питером Дирманом (Peter Dearman), изобретателем уникального двигателя на жидком азоте. После тщательного тестирования двигателя в трех университетах Великобритании Дирман собрал консорциум из нескольких компаний и в 2013 г. выиграл грант Technology Strategy Board на создание криогенного двигателя для транспортных средств. "Dearman несет в мир чистоту холода и силы" - таков слоган компании (Dearman is a technology company delivering clean cold and power).
Как сообщает Highview Power Storage, 13 тыс. т жидкого воздуха способны "запасти в себе" 1,2 ГВт·ч электроэнергии. С оглядкой на эти показатели 300 млн т годовой выработки СПГ могут дать почти 27 млрд кВт·ч электроэнергии, что, по данным 2016 г., сопоставимо с годовым объемом генерации Беларуси (33,1 млрд кВт·ч), Дании (30,3 млрд), Венгрии (31,5 млрд) или Ирландии (30,4 млрд кВт·ч). Украина всей мощью своей тепловой энергетики произвела в том же году 56,6 млрд кВт·ч и… загрязнила атмосферу 406 млн т оксида углерода. Не все это - выбросы ТЭС и ТЭЦ, но значительная часть.
У жидкого воздуха есть уникальные свойства - он вездесущ, принадлежит всем и его не нужно извлекать из недр земных.
Но Александр Беляев не зря поместил предприятие мистера Бэйли в Якутию. При сибирских морозах на сжижение 1 кг воздуха тратится почти в три раза меньше энергии, чем в тропиках. Так что у проекта "Ямал-СПГ" "врожденные" преимущества перед теми же катарскими предприятиями. А еще важным фактором является вид топлива, используемого на электростанциях, точнее, его происхождение.
Это вам не Шпицберген
Показатель EROI (energy return on investment), именуемый также энергетической рентабельностью, есть отношение полезной энергии к затраченной на ее получение. Когда впервые была открыта нефть, то одной бочки (барреля), как правило, хватало на то, чтобы найти, извлечь и переработать 100 "бочек" угля. За последнее столетие это соотношение постепенно снизилось до трех на один затраченный в США и примерно до 10:1 - в Саудовской Аравии.
Уголь и сейчас остается сильным энергетическим ресурсом. Но если американский уголь имеет EROI 80:1, то среднемировой показатель - 46:1. Отечественные же шахты, по расчетам Института экономики промышленности НАН Украины, имеют отдачу не более 10, потому что служат, скорее, производствами по выпуску отходов угледобычи с попутным получением угольной продукции, чем наоборот.
Даже китайский уголь сложен в получении, о чем говорит показатель не то что нынешнего, а 2010 г. - 27:1.
Коэффициент EROI атомной энергетики в зависимости от конструкции реактора и способа получения ядерного топлива может быть принят от 40 до 60:1, для ветроэнергетики - порядка 18, природного газа - 10, сжиженного природного газа - до 6, солнечной энергетики (фотогальваники) - около 7:1.
Украине с ее неэффективным топливно-энергетическим комплексом, если не замыкаться в атомном сегменте, накладно развивать криоэнергетику… Это вам не Шпицберген с его арктическими запасами высококачественного угля.
Разработки ископаемого, в которых некогда активно участвовал бывший советский трест "Арктикуголь", на архипелаге ведутся с начала
ХХ ст. После распада СССР угледобыча здесь была практически свернута, шахтные поселки законсервированы. Мировое сообщество, руководствуясь девизом "В арктической шахте вашим данным не страшен апокалипсис" (Keep your datasafe from the apocalypse in an Arctic mineshaft), разместило на острове Всемирный арктический архив (Arctic World Archive) и Всемирное хранилище семян (Global Seed Vault).
Но в 2014 г. норвежская государственная угледобывающая компания "Стуре Норске" запустила на Шпицбергене новую шахту "Лункефьель" мощностью около 2 млн т/год. Разведанных запасов должно хватить на пять лет. А общий резерв островных месторождений оценивается в
10 млрд т угля.
Схема мирового центра по получению жидкого воздуха "Шпицберген" по-крупному может иметь следующий вид: добытый уголь по месту переработать в электроэнергию, произвести ожижение воздуха, а жидкий воздух подать танкерами-рефрижераторами в ту же Европу, чтобы потребители после разгрузки и раздачи могли его регазифицировать согласно техническому регламенту.
Чисто, удобно, практично и… свежий морозный воздух.
Как бы фантастично это сегодня ни звучало, но криоэнергетика (жидковоздушная, на сжиженном природном газе, любая), ветряки и солнечные панели - так мог бы выглядеть наилучший набор "зеленой" энергетики будущего. Набор, в котором криоэнергетические устройства не только ведут самостоятельную партию по генерации электроэнергии, но и как энергетические хранилища поддерживают стабильность функционирования ветровых и солнечных источников.
И Шпицберген не единственное место на земле, где холодная энергетика может развиваться в "тепличных" условиях.
Условия могут отыскаться, что называется, под боком, хотя придется выбирать между a dead-end industry и принципом "лучше что-нибудь, чем ничего".
Представьте, что за десяток километров от углеобогатительной фабрики находится в овраге хвостохранилище, куда на протяжении многих лет свозили отходы флотации. Вред окружающей среде наносится в разрезе трех сред. Мелкодисперсная пыль вредна для здоровья. Но высокозольный уголь пригоден для переработки в электроэнергию. Хотя в окрестностях для этого зачастую нет необходимой инфраструктуры, да и дорогостоящий высокотехнологичный котел под открытым небом не поставишь, а доставлять горючее бросового качества на электростанцию - дорого и непрактично.
Поэтому сейчас, когда активно обсуждают планы возрождения на новом технологическом уровне производства локомобилей (передвижных паровых двигателей для выработки электроэнергии в полевых условиях), вариант получения жидкого азота "на берегу" хвостохранилища может оказаться выгодным. И экологию улучшает, и прибыль приносит - полученный жидкий воздух можно продать электрогенерирующей компании. Автомобильной цистерной отправить на ТЭС и, как в английском Слау, регазифицировать в схеме охлаждения отходящего котельного пара.
Отходы углеобогащения как топливо, регазификация жидкого азота вместо градирен в цикле охлаждения паровых отходов - это вполне в духе циркулярной экономики, объявленной ныне одной из трех составляющих "Индустрии 4.0". Проект, конечно, в энергетическом плане затратный, но топливо-то бросовое и защита окружающей среды - дело благородное. И новые рабочие места - позитивный социальный фактор.
Пример из жизни, но, увы, не Украины. Компания Highview PowerStorage и ее партнер, компания Viridor, занимающаяся проблемами возобновляемой энергии, в 2014 г. получили более 8 млн фунтов стерлингов от правительства Великобритании на постройку демонстрационной LAES мощностью 5 МВт рядом со свалкой, оборудованной установкой по переработке свалочного газа, в Бери, Большой Манчестер. Энергетическое хранилище предназначено как для выполнения своего традиционного назначения - сглаживать неравномерности в работе энергетической системы, так и нетрадиционного - по утилизации низкопотенциального тепла двигателей, перерабатывающих свалочный газ.
Англичанин Юлон Дин совершил удивительное открытие, сопоставимое с открытием новых черт на старом портрете. Давайте пристально всмотримся и в другие картины, вдруг и на них проявится то же, дающее ключ к иному восприятию, переосмыслению сущности, изменению судьбы грядущих поколений…
*Атмосфера производств по хранению и упаковке пищевых продуктов давно стала модифицированной, она так и называется: Modified Atmosphere Packaging.