Мороз - друг якутского энергетика

Якутия является одним из наиболее холодных мест в мире. На ее территории располагается полюс холода Северного полушария, в котором минимальная температура опускается до -72 градусов С. На территории Якутии сформировалась вечная мерзлота.

Обычно холод и вечная мерзлота рассматриваются в качестве препятствия для экономического развития. В России даже появилось целое направление в экономической мысли, которое доказывает, что бурное развитие России невозможно из-за сильных холодов. Впрочем, ошибочность этого тезиса "паршивцев" (по фамилии одного из наиболее известных пропагандистов этого направления - А.П. Паршева) давно доказана.

Холод может быть очень полезным ресурсом, если его правильно использовать. В Якутии мороз может стать серьезным помощником в генерации электроэнергии, если научиться использовать в широких масштабах перепад температур между температурой воздуха зимой и теплоносителей.

Опыт Аляски

Даже вода с температурой 70-80 градусов С может иметь энергетическое значение. Существует достаточное количество веществ с очень низкой температурой кипения, которые используются в качестве хладагентов в холодильниках и кондиционерах. К ним относятся аммиак, этилен, пропилен, пропан, метан, тетрахлорметан, фтортрихлорметан, дифтордихлорметан и другие. Эти вещества закипают при минусовой температуре.

Источник тепла с температурой 70-80 градусов С мог бы испарять эти вещества, приводить к расширению образовавшегося газа, и совершению механической работы, которая, в свою очередь, могла бы быть использована для генерации электрической энергии. Эти вещества-хладагенты являются своего рода посредниками, позволяющими преобразовывать тепло сначала в работу, а затем в электроэнергию.

В принципе, идея двухконтурной энергетической установки, в которой горячая геотермальная вода выступает в роли теплоносителя, а хладагент в качестве рабочего тела, назрела давно. Однако практическое использование рабочих тел с низкой температурой кипения тормозилось трудностью охлаждения и конденсации отработанного хладагента. Поэтому использовались рабочие тела с более высокой температурой кипения, которые было легче охлаждать, но они требовали геотермальных вод с температурой свыше 150 градусов С.

Эту проблему удалось решить на практике инженеру-механику Гвен Холдман, которой удалось построить электростанцию, работающую на геотермальном источнике с температурой 74 градусов С для курорта Чена-Хот-Спрингс на Аляске. Гвен Холдман использовала в изобилии встречающиеся на Аляске холод и холодную воду для охлаждения и конденсации отработанного хладагента и возвращения его обратно в испаритель. Стандартный хладагент R-134a (тетрафторэтан - C2H2F4), испаряясь и расширяясь в теплообменнике, вращает турбину на скорости 13,5 тысяч оборотов в минуту, а затем охлаждается обычной холодной водой температурой 5 градусов С, и с помощью насоса снова возвращается в испаритель.

До создания этой установки, курорт расходовал около 1000 долларов в день на выработку электроэнергии на дизель-генераторе. Цена на электроэнергию доходила до 30 центов за кВт*час (впрочем, на Аляске бывает и по доллару за кВт*час). После установки, обошедшейся в 2,2 млн. долларов, стоимость электроэнергии упала до 5 центов.

Необозримые ресурсы холода

Якутия может сделать значительный шаг вперед в освоении подобных технологий и обеспечения всех, даже самых отдаленных улусов дешевой электроэнергией. Холода в разных видах в Якутии хватает, и это позволяет применять в охлаждении хладагента на подобных установках самые разные варианты.

Во-первых, возможно воздушное охлаждение хладагента в зимнее время, поскольку средняя температура января по Якутии колеблется от -28 до -50 градусов С. Это позволяет использовать хладагенты с еще более низкой температурой кипения.

Во-вторых, можно использовать для охлаждения речную и морскую воду. Особенно выгоден такой вариант на побережье, потому что даже летом температура морской воды Восточно-Сибирского моря составляет до -1 градуса С. Температура речной воды при впадении в море колеблется от 4 до 8 градусов С.

В-третьих, можно использовать ресурсы холода вечной мерзлоты.

Условия Якутии создают громадный перепад температур в десятки градусов даже для теплоносителя с температурой от 20-30 градусов С. Зимой он может достигать 100-120 градусов. Это означает, что теплоносителем для двухконтурных энергоустановок в Якутии может быть очень многое: геотермальная вода, вода систем отопления, как прямая, так и отработанная, и даже нагретый воздух.

Зимние энергоустановки

Зимой в Якутии расход энергии значительно больше, чем в летний. Вся тепловая и электрическая энергия вырабатывается за счет сжигания мазута или угля. Однако, используя ресурсы холода, можно использовать перепад температур между водой в системе отопления и воздухом зимой для производства дополнительного объема электроэнергии. Нагретая вода подается по теплотрассам, которые, через определенные промежутки, можно дооборудовать двухконтурными энергетическими установками, в которых горячая вода будет нагревать хладагент. Хладагент в свою очередь будет вращать турбину, и охлаждаться за счет холодного воздуха.

Это, своего рода, сезонные электростанции, которые работают во время отопительного сезона (268 суток) при средней температуре окружающего воздуха -19,7 градусов С. На время летнего периода они отключаются.

Аналогичным образом можно получать электроэнергию от отработанной воды отопительных систем. На теплотрассах обрата также устанавливаются аналогичные установки.

Иными словами, на типичной для Якутии энергетической системы небольшого поселка можно установить дополнительные энергетические установки для выработки электроэнергии с использованием ресурсов холода. Не исключено, расчет покажет, что эти зимние энергоустановки смогут вырабатывать электроэнергии больше, чем вырабатывается на самой ТЭЦ.

Крупные ТЭЦ и ГРЭС могут иметь дополнительные энергоблоки, вырабатывая дополнительную электроэнергию за счет использования пара и конденсата в качестве теплоносителя в двухконтурных энергоустановках с низкокипящим рабочим телом. Крупные электростанции могут иметь целые каскады подобных установок, в которых используются разные хладагенты. Охлаждение хладагента может быть как воздушным (зимние установки), так и водяным (кругологодичные установки).

Геотермальные установки

В одной из предыдущих статей рассматривалась возможность использования тепловой энергии геотермальных вод в Якутии, как за счет использования природных геотермальных источников, так и за счет нагрева воды теплом горных пород в глубоких скважинах.

К сожалению, геологическое изучение геотермальных источников в Якутии никогда не проводилось достаточно подробно, и точных данных на сей счет в настоящее время нет. Правительство РС (Я) должно реализовать программу геологоразведки на геотермальные воды, чтобы появилась возможность перевести некоторые населенные пункты или даже целые улусы на отопление и энергоснабжение без использования и завоза топлива. Также геотермальные источники могут использоваться для сокращения использования топлива.

Кондиционер наоборот

В мире активно используются кондиционеры для охлаждения воздуха, в которых испаряющийся хладагент забирает тепло у воздуха и охлаждает его, затем сжимается компрессором и отдает тепло окружающему воздуху. Поскольку основная масса населения мира живет в жарких странах, кондиционеры получили широкое распространение, и на их работу тратится не меньше энергии, чем на отопление в России.

Есть и кондиционеры-обогреватели, когда сжатый и сжиженный хладагент отдает тепло в комнату, тогда как забирает тепло у окружающего воздуха. Однако, при температур около 0 градусов С, мощность обогрева резко падает и кондиционер-обогреватель теряет свою эффективность.

Однако в Якутии даже нагретый воздух помещения может быть теплоносителем, особенно зимой, когда температура окружающего воздуха падает ниже -30 градусов С. В этом случае, при условии стандартной температуры воздуха в помещениях 22-23 градуса С, перепад температур превышает 50 градусов. При таких условиях уже можно извлекать из этого пользу.

Можно разработать портативную двухконтурную энергетическую установку, в которой хладагент будет нагреваться от тепла воздуха в помещении, отведенного, к примеру, с помощью вентиляции, испаряться, расширяться и вращать турбину, которая будет генерировать электроэнергию. Не обязательно использовать турбины высокого давления, поскольку давно разработаны турбины низкого давления, и к такой установке можно подобрать подходящий хладагент. Охлаждение хладагента может быть также воздушным или водяным.

Эта технология является, скорее, технологией будущего, поскольку сейчас конструкционные особенности домов ведут к огромным тепловым потерям за счет утечки теплого воздуха. Но в будущем, когда начнут создаваться города-здания, с герметичными отапливаемыми объемами и вентиляцией, использование нагретого воздуха в качестве теплоносителя в значительных масштабах станет вполне возможным.

Это далеко не полный список методов, как можно с помощью холода получать дополнительные объемы электроэнергии с производимых теплоносителей или геотермальных вод. Широкий набор освоенных турбин, генераторов, хладагентов в сочетании с разнообразными условиями Якутии позволяет очень гибко осваивать ресурсы холода для генерации электроэнергии.

Развитие этого направления потребует создания целой промышленности, производящей хладагенты разных марок, оборудование для установок, развития сервиса по проектированию, строительству и обслуживанию подобных энергетических установок. Не исключено, что развитие такой необычной энергетики позволит полностью отказаться от исключительно вредных для Якутии проектов ГЭС, а также сделать жизнь комфортной даже в самых отдаленных улусах.

ИА «Sakhalife» (г. Якутск)

Добавить комментарий