В настоящее время энергетика движется в сторону декарбонизации и возобновляемых источников энергии. Но, несмотря на то, что за последнее десятилетие в возобновляемую энергетику было инвестировано 2,7 триллиона долларов, это будущее еще далеко.
Все дело в экономике: эксплуатация существующих электростанций, работающих на ископаемом топливе, обходится дешевле, чем строительство новых возобновляемых мощностей. Несмотря на то, что в последние годы стоимость возобновляемой энергии значительно снизилась, у большинства развивающихся стран все еще нет доступа к технологиям и ресурсам, необходимым для достижения таких цен. Даже в США в 2020 году электростанции, работающие на ископаемом топливе и энергии из отходов (EfW), генерировали 60% энергии. Поэтому пока не произойдет резких изменений в политике или технологиях, большая часть мира будет продолжать использовать ископаемое топливо.
Несмотря на то, что инвестиции сместились в сторону возобновляемых источников энергии, мир не может игнорировать ископаемое топливо. Напротив, сегодня как никогда важно искать способы более рационального использования ископаемых видов топлива.
Эффективность производства энергии на основе ископаемого топлива составляет 40%, то есть большая часть потенциальной энергии теряется в виде тепла, а не преобразуется в полезную мощность. Снижение даже части этих потерь приведет к значительной экономии энергетических затрат и снижению выбросов углерода.
Улучшение выработки энергии за счет эффективной теплопередачи.
Производительность электростанции измеряется количеством энергии, используемой для выработки одного киловатт-часа (кВтч), известного как «тепловая мощность станции». Если электростанция сможет снизить тепловую мощность, то есть для производства такого же количества электроэнергии потратить меньше энергии, то это будет соответствовать сокращению, как используемого топлива, так и выбросов, образующихся в качестве побочного продукта. Несмотря на то, что можно добиться повышения тепловой мощности за счет использования более энергоемких источников топлива, наибольшие улучшения достигаются за счет устранения источников неэффективности теплопередачи на протяжении всего цикла генерации.
Рассмотрим уголь. Общий КПД ископаемого топлива составляет 40%, но паровые турбины, использующие угольное топливо, работают всего на 34%. Более половины потерь эффективности происходит в конденсаторе, где эффективность определяется тем, как быстро горячий насыщенный пар превращается в жидкость при передаче тепла в проточный охладитель.
На процесс конденсации влияют два фактора. Во-первых, то, как пар конденсируется в жидкость. В процессе конденсации на внешней стороне трубок конденсатора образуется тонкая пленка воды. А поскольку вода обладает другой электропроводностью, чем металл, пленка конденсата представляет собой изоляционный слой между оставшимся горячим паром и холодными трубками, ограничивая эффективную теплопередачу.
Следовательно, можно повысить эффективность конденсатора установки в два раза, увеличив так называемую «капельную конденсацию», при которой жидкость образует множество мелких капель, а не большие слои пленки (рис. 1). Эти капли быстро скатываются с поверхности трубок конденсатора, увеличивая скорость конденсации, а также площадь поверхности, доступную для теплопередачи. В лабораторных условиях эффективность теплопередачи теоретически может быть улучшена до 100 раз за счет предотвращения образования «конденсатных пленок».
1. Капли воды на необработанной поверхности (справа) и обработанной поверхности (слева), демонстрирующие разницу между пленочной и капельной конденсацией.
Вторая проблема, влияющая на эффективность конденсатора, - это засорение. Биологические организмы и частицы мусора накапливаются внутри трубок, создавая еще один изолирующий слой, который «загрязняет» конденсатор и препятствует эффективной передаче тепла. Такое «загрязнение» может снижать эффективность теплопередачи на 10%, пропорционально увеличивая расход топлива.
По оценкам, затраты, связанные с «загрязнением» теплообменников, составляют примерно 0,25% от валового внутреннего продукта (ВВП) в высокоразвитых странах. Такие отложения также изменяют текстуру внутренней поверхности трубок, нарушая поток и снижая эффективность теплопередачи. Для решения этих проблем многие предприятия проводят очистку труб конденсаторов чаще, что значительно увеличивает время простоя и ограничивает эксплуатационные возможности предприятия.
Обе проблемы связаны с адгезией. То есть потеря эффективности конденсатора является результатом того, что вода и твердые частицы «прилипая» к металлическим трубкам, физически создают барьеры, которые значительно снижают теплопередачу между горячим паром снаружи трубок и холодной водой внутри. Таким образом, самое простое решение – усложнить «прилипание» к трубкам конденсатора.
Нанокомпозитная обработка поверхности.
Учитывая перепады температур и интенсивность использования, конденсаторы являются довольно «жесткой» средой. В сочетании с требованиями отрасли становится понятно, что, несмотря на очевидные возможности для повышения эффективности, лишь немногие идеи можно использовать практически.
Однако последние достижения в области покрытий и обработки поверхности открывают возможности для внедрения технологий прямого подключения, которые не только повышают эффективность, но и могут применяться в «стареющих» установках, что позволяет существенно и незамедлительно повысить эффективность и расход топлива (рис. 2).
2. Теплообменник до и после нанесения HeatX. Изображение до нанесения покрытия через шесть месяцев эксплуатации. После обработки HeatX тот же теплообменник не очищался более 54 месяцев, что соответствует восьми циклам интенсивной очистки.
Например, команда Массачусетского технологического института (MIT) недавно продемонстрировала, как тонкое графеновое покрытие, нанесенное на трубки конденсатора, способствует хорошей капельной конденсации и незначительно влияет на теплопередачу. Испытания показали, что этот метод может улучшить теплопередачу в четыре раза, что приведет к увеличению эффективности на 2–3% и ежегодной экономии топлива на 1 миллион долларов. И хотя графен – это довольно дорогая модификация углерода, снижение цен, ожидаемое в ближайшие несколько лет, может сделать этот метод жизнеспособным.
Другое решение - омнифобная (водо- и маслоотталкивающая) обработка поверхностей нанокомпозитом HeatX, который придает поверхности, на которую он нанесен, чрезвычайно низкую поверхностную энергию. Это предотвращает прилипание отложений и снижает сопротивление трения на обработанной поверхности без ущерба для первоначальной эффективности теплопередачи системы. Уменьшение образования «загрязнения» также имеет дополнительное преимущество, заключающееся в увеличении времени между чистками.
Несмотря на то, что эти типы обработки поверхностей существуют уже давно, они либо не долговечны, либо их нужно было наносить таким толстым слоем, который препятствовал теплопередаче. Для того чтобы обработка поверхностей была приемлемой, она должна не только предотвращать «загрязнение», а и обеспечивать эффективную теплопередачу при минимальных доработках.
HeatX отвечает всем этим требованиям. В исследовании, проведенном на теплообменниках с морской водой, в которых обычно сильно происходит биообрастание и эрозии от частиц песка, покрытие толщиной менее 2 мил увеличило время между чистками с шести месяцев до 54 месяцев, что почти в 10 раз сократит затраты на техническое обслуживание. При осмотре обработанная поверхность не имела видимых биообрастаний и очистилась при помощи сильной струи воды под давлением.
Обработки поверхностей HeatX, может повысить эффективность электростанции более чем на 3–7%, сократив время простоя и улучшив теплоотдачу. На одном из испытательных полигонов это привело к экономии 2,125 миллиона долларов в год за счет снижения затрат на топливо, то есть 600% окупаемости инвестиций (ROI) за пятилетний период с общим сроком окупаемости менее 6 месяцев.
При таком повышении эффективности на каждый 1 ГВт мощности сокращение выбросов углерода сократится на 300 000 тонн CO 2 в год. Если смотреть на ситуацию в целом, то улучшение работы конденсаторов в США предотвратит выбросы 221,3 миллиона тонн CO2 , что эквивалентно улавливанию углерода на площади составляющей 129 миллионов акров леса. Следовательно, в глобальном масштабе, можно предотвратить выбросы 1,26 миллиарда метрических тонн CO2 в атмосферу, что соответствует количеству углерода, поглощаемого 1,5 миллиардами акров леса или работе 262 000 ветряных турбин ежегодно.
Обеспечение перехода отрасли ископаемого топлива в эпоху возобновляемых источников энергии.
Обработка поверхности нанокомпозитом HeatX, предоставляет возможность переосмыслить использование ископаемых видов топлива в том виде, в каком мы его применяем сегодня, вызывая резкие сдвиги в углеродоемких процессах. По мере того, как мир переходит к более экологичному будущему, такие инновации позволяют изменить ситуацию уже сейчас, минимизируя воздействие ископаемого топлива, на которое общество будет полагаться в течение многих лет.
По мере появления более устойчивых технологий, оперативные решения дают уверенность в том, что высокие стандарты производительности будут поддерживаться, а общее экономическое воздействие разрушительных изменений останется на приемлемом уровне для малообеспеченной части населения. Современные методы обработки поверхностей могут произвести революцию во всем энергетическом секторе - от производства и переработки угля до выработки энергии на основе аммиака и водорода.