Modified Atmosphere Packaging*, або Коли настануть гарячі дні холодної енергетики?

У рідкого повітря є унікальні властивості - воно всюдисуще, належить усім і його не треба добувати з надр земних. Зараз кріоенергетику (рідке повітря) розглядають тільки як спосіб зберігання енергетичних ресурсів, тоді як сфера її застосування може виявитися значно ширшою й енергокориснішою.

"Я побачив величезний пологий кратер, подібний до місячного… Зовсім гладка, полога вирва… Було очевидно, що вітер спрямовувався кудись під землю. Це було незрозуміло й безглуздо, як ніздря Ай-Тойона".

Далекого 1929-го побачив світ роман радянського письменника-фантаста Олександра Бєляєва "Продавець повітря". Це історія про погану людину, англійського комерсанта містера Бейліза, котрий скраплює у величезних кількостях на своїй секретній фабриці в Якутії атмосферне повітря і запасає отриману рідину в спеціально обладнаних підземних сховищах. Він орудує з таким розмахом, що на Землі змінюється клімат. Фантасти, як завжди, визначили наукові публікації… Але, схоже, містерів бейлізів не тільки в Якутії, в усьому світі багаторазово побільшало за останні роки.

Енергоблок на рідкому повітрі у Великій Британії

У липні 2011 р. прозаїчно-буденно відбулася подія, значущість якої для історії, можливо, ще доведеться переоцінити. На розташованій в англійському місті Слау (Slough) електростанції Scottish&Southern Energy (SSE) запрацював перший у світі енергоблок на рідкому повітрі. Нехай його потужність становила лише 350 кВт, але він був підключений до національної енергосистеми та ніс навантаження в піковому режимі як повноцінне енергосховище, здатне забезпечити споживачів 5 МВт·год. електричної енергії.

Фірма Highview Power Storage реалізувала проект у повному наборі - повітрозріджувальна установка, що переробляє атмосферне повітря на рідину світло-сірого кольору температурою -196^оС, два стандартні 10-тонні кріогенні термоси конструкції Дьюара, в яких ця рідина тижнями може перебувати при атмосферному тиску, і регазифікатор-турбіна-генератор як кінцевий каскад.

Нагріте рідке повітря при поверненні в газовий стан розширюється в 700 разів, що дає йому змогу обертати з'єднану з електрогенератором турбіну. На станції фірми SSE, де основна кількість електроенергії виробляється в результаті спалювання деревних відходів, агентом регазифікації повітря виступила відпрацьована пара температурою 110–115⁰С. Рекуперація теплової енергії в циклі прогріву випарників забезпечила ККД системи близько 70%.

Щоб незвичність не затьмарила метод

Авторство ідеї приписують англійському професорові китайського походження Юлону Діну (Yulong Ding) з університету в Лідсі. Рідке повітря зовсім не екзотика, французька фірма Air Liquide S.A. веде свій бізнес з 1902 р. і поширила його на 80 країн світу. Тому дивно, що до Діна ніхто не здогадався скласти, не кажучи вже про патентування, конструктор із відомих більш як сто років деталей.

Проте незвичність/простота методу не повинні затьмарювати його переваг: ніяких викидів шкідливих речовин в атмосферу, ніяких парникових газів, переведення установки зі стану спокою в робочий режим триває лічені хвилини. Станцію можна оснастити так званою віртуальною трубою - рідке повітря (азот) вам доставлять "додому" хоч автомобільними цистернами, хоч танкерами-рефрижераторами.

Експлуатація станції, що складається зі стандартної 10-тонної ємності й турбогенератора, які можна узяти в оренду, обійдеться домогосподарствам дешевше за дизельну установку - от вона, здавалося б, напророчена Джеремі Ріфкіним (Jeremyrifkin) третя промислова революція…

Однак людство, стурбоване проблемами забезпечення сталого розвитку, не закричало від радості, отримавши технологію, зеленішої від якої не буває. Найпростіше - списати це на недооцінку масштабності явища. На сьогодні сфера застосування нововведення обмежена сприйняттям LAES (або під іншою абревіатурою - CES), що означає рідкоповітряне енергетичне сховище (Liquid Air Energy Storage або Cryogenic Energy Storage).

Про неоднозначне ставлення до енергосховищ

До енергетичних сховищ ставлення двоїсте: від захопленості Деніела Ергіна (Daniel Yergin), який оголосив їх втіленням Святого Грааля наших днів, до скептичного на кшталт "чому зберігання енергії безперспективне" (Why energystorage is a dead-end industry) на сайті Energy Storage Report.

Англійці, законодавці моди в сфері кріогенних сховищ, строго стоять на своєму - навіть у патенті значиться, що схема віртуальної труби, CryoGenSet, призначена для екстреного забезпечення електроенергією об'єктів типу лікарень, громадських будівель тощо.

Цієї лінії дотримуються й українські вчені, відомі фахівці з холодильної техніки Г.Лавренченко й А.Копитін. У своїй статті для спеціалізованого журналу вони зазначають: "З допомогою CES-технологій можна створювати віртуальну кріогенну трубу для резервування енергії та її споживання в короткий проміжок часу".

Та подивімося ширше - світ буквально обплутаний кріогенними віртуальними трубами. Нехай не на рідкому повітрі (азоті), а на скрапленому природному газі (СПГ або англ. LNG).

Технологія практично аналогічна рідкоповітряній - холодильний завод і віртуальна труба у вигляді танкерів-рефрижераторів з терміналом-регазифікатором у порту призначення. Бракує лише вироблення електроенергії в пункті регазифікації, хоча скраплений природний газ нехай і не в 700 разів, як рідке повітря, але в 600 разів розширюється при нагріванні, чого цілком достатньо для обертання електрогенератора. Чому цієї властивості газу у нас не використовують? Дорого? А імпортувати дешевше?

300 млн т на рік (1 млн т СПГ - це 1,36 млрд кубометрів природного газу при нормальних умовах). І нікого не зупиняють міркування з приводу a dead-end industry, хоча трансформація природного газу в рідкий стан така енергоємна, що забирає десяту частину ресурсу. Прогноз розвитку виробництва в секторі обіцяє до 2025 р. майже дворазове збільшення потужностей - до 650 млн т. Одна лише Японія щороку споживає понад 118 млрд кубометрів газу.

Як Катар обійшов усіх в експорті скрапленого газу і чому регазифікація газу не приносить енергії

Виробництво, розпочате у 1964 р. з експлуатації першого промислового підприємства в Алжирі, з певного моменту розвивається так стрімко, що Катар, який приєднався до бізнесу в 1997 р., зараз обійшов усіх і щорічно експортує понад 106 млрд кубометрів (близько 44 млн т) продукції.

Однак СПГ - це джин, посаджений у лампу для зручності перевезення, і тільки. І добре було б, аби цей джин, що багаторазово збільшується в об'ємі, залишаючи лампу, покрутив турбіну й генерував електроенергію. Невикористовуваний зараз ресурс, але зайвим точно не буде.

Кріоенергетика цілком може перетворитися на новий сектор енергетики - її поле значно ширше за СПГ: великий металургійний комбінат за день витрачає понад 3 тис. т рідких газів, а таких комбінатів по світу - сотні. На процесах зберігання й упаковки харчових продуктів задіяно стільки рідкого азоту, що атмосфера цих виробництв давно стала модифікованою, вона так і називається: Modified Atmosphere Packaging.

На початку 2011 р. від Highview Power Storage відбрунькувалася компанія Dearman Engine з Пітером Дірманом (Peter Dearman), винахідником унікального двигуна на рідкому азоті. Після ретельного тестування двигуна в трьох університетах Великої Британії Дірман зібрав консорціум з кількох компаній і в 2013 р. виграв грант Technology Strategy Board на створення кріогенного двигуна для транспортних засобів. "Dearman несе в світ чистоту холоду й сили" - таке гасло компанії (Dearman is a technology company delivering clean cold and power).

Як повідомляє Highview Power Storage, 13 тис. т рідкого повітря здатні "запасти в собі" 1,2 ГВт·год. електроенергії. Зважаючи на ці показники, 300 млн т річного виробітку СПГ можуть дати майже 27 млрд кВт·год. електроенергії, що, за даними 2016 г., порівнянно з річним обсягом генерації Білорусі (33,1 млрд кВт·год.), Данії (30,3 млрд), Угорщини (31,5 млрд) або Ірландії (30,4 млрд кВт·год.). Україна всією потужністю своєї теплової енергетики виробила того ж року 56,6 млрд кВт·год. і… забруднила атмосферу 406 млн т оксиду вуглецю. Не все це - викиди ТЕС и ТЕЦ, але значна частина.

Рідке повітря має унікальні властивості - воно всюдисуще, належить усім і його не треба видобувати з надр земних.

Але Олександр Бєляєв не даремно помістив підприємство містера Бейлі в Якутію. При сибірських морозах на скраплення 1 кг повітря витрачається майже втричі менше енергії, ніж у тропіках. Тож у проекту "Ямал-СПГ" "вроджені" переваги перед тими ж катарськими підприємствами. А ще важливим фактором є вид палива, яке використовується на електростанціях, точніше, його походження.

Це вам не Шпіцберген

Показник EROI (energy return on investment), іменований також енергетичною рентабельністю, є відношенням корисної енергії до витраченої на її одержання. Коли вперше було відкрито нафту, то однієї бочки (бареля), як правило, вистачало на те, щоб знайти, видобути й переробити 100 "бочок" вугілля. За останнє сторіччя це співвідношення поступово знизилося до трьох на один витрачений у США й приблизно до 10:1 - у Саудівській Аравії.

Вугілля й зараз залишається сильним енергетичним ресурсом. Але якщо американське вугілля має EROI 80:1, то середньосвітовий показник - 46:1. Вітчизняні ж шахти, за розрахунками Інституту економіки промисловості НАН України, мають віддачу не більше 10, тому що слугують, швидше, виробництвами з випуску відходів вуглевидобутку з попутним одержанням вугільної продукції, ніж навпаки.

Навіть китайське вугілля складне в одержанні, про що свідчить показник не те що нинішнього, а 2010 р. - 27:1.

Коефіцієнт EROI атомної енергетики залежно від конструкції реактора й способу одержання ядерного палива можна прийняти від 40 до 60:1, для вітроенергетики - порядку 18, природного газу - 10, скрапленого природного газу - до 6, сонячної енергетики (фотогальваніки) - близько 7:1.

Україні з її неефективним паливно-енергетичним комплексом, якщо не замикатися в атомному сегменті, витратно розвивати кріоенергетику… Це вам не Шпіцберген з його арктичними запасами високоякісного вугілля.

Розробки копалин, у яких колись брав активну участь колишній радянський трест "Арктиквугілля", на архіпелазі ведуться з початку ХХ ст. Після розпаду СРСР вуглевидобуток тут практично згорнули, шахтні селища законсервовані. Світове співтовариство, керуючись девізом "В арктичній шахті вашим даним не страшний апокаліпсис" (Keep your datasafe from the apocalypse in an Arctic mineshaft), розмістило на острові Всесвітній арктичний архів (Arctic World Archive) і Всесвітнє сховище насіння (Global Seed Vault).

Однак у 2014 р. норвезька державна вуглевидобувна компанія "Стуре Норске" запустила на Шпіцбергені нову шахту "Лункефьйоль" потужністю близько 2 млн т/рік. Розвіданих запасів має вистачити на п'ять років. А загальний резерв острівних родовищ оцінюється в 10 млрд т вугілля.

Схема світового центру з отримання рідкого повітря "Шпіцберген" по-великому може мати такий вигляд: видобуте вугілля на місці переробити в електроенергію, здійснити скраплення повітря, а рідке повітря подати танкерами-рефрижераторами в ту ж Європу, щоб споживачі після розвантаження й роздачі могли його регазифікувати згідно з технічним регламентом.

Чисто, зручно, практично і… свіже морозне повітря.

Хоч би як химерно це сьогодні звучало, але кріоенергетика (рідкоповітряна, на скрапленому природному газі, будь-яка), вітряки й сонячні панелі - так міг би виглядати найкращий набір "зеленої" енергетики майбутнього. Набір, у якому кріоенергетичне обладнання не тільки веде самостійну партію з генерації електроенергії, але і як енергетичні сховища підтримує стабільність функціонування вітрових і сонячних джерел.

І Шпіцберген не єдине місце на землі, де холодна енергетика може розвиватися в "тепличних" умовах.

Умови можуть знайтися, що називається, під боком, хоча доведеться вибирати між a dead-end industry і принципом "краще щось, ніж нічого".

Уявіть, що за десяток кілометрів від вуглезбагачувальної фабрики розташоване в яру хвостосховище, куди протягом багатьох років звозили відходи флотації. Шкода навколишньому середовищу завдається в розрізі трьох середовищ. Дрібнодисперсний пил шкідливий для здоров'я. Але високозольне вугілля придатне для переробки в електроенергію. Хоча на околицях для цього найчастіше немає необхідної інфраструктури, та й дорогий високотехнологічний котел під відкритим небом не поставиш, а доставляти пальне непридатної якості на електростанцію - дорого й непрактично.

Тому зараз, коли активно обговорюють плани відродження на новому технологічному рівні виробництва локомобілів (пересувних парових двигунів для вироблення електроенергії в польових умовах), варіант одержання рідкого азоту "на березі" хвостосховища може виявитися вигідним. І екологію поліпшує, і прибуток приносить - отримане рідке повітря можна продати електрогенеруючій компанії. Автомобільною цистерною відправити на ТЕС і, як в англійському Слау, регазифікувати у схемі охолодження пари, що відходить з котла.

Відходи вуглезбагачення як паливо, регазифікація рідкого азоту замість градирень у циклі охолодження парових відходів - це цілком у дусі циркулярної економіки, оголошеної нині однією з трьох складових "Індустрії 4.0". Проект, звичайно, в енергетичному плані витратний, але ж паливо викидне і захист навколишнього середовища - справа шляхетна. І нові робочі місця - позитивний соціальний фактор.

Приклад з життя, але, на жаль, не України. Компанія Highview Powerstorage та її партнер, компанія Viridor, що займається проблемами відновлюваної енергії, в 2014 р. одержали понад 8 млн фунтів стерлінгів від уряду Великої Британії на будівництво демонстраційної LAES потужністю
5 МВт поруч зі сміттєзвалищем, обладнаним установкою з переробки газу зі сміттєзвалища, у Бері, Великий Манчестер. Енергетичне сховище призначене для виконання як свого традиційного призначення - згладжувати нерівномірності в роботі енергетичної системи, так і нетрадиційного - з утилізації низькопотенціального тепла двигунів, що переробляють звалищний газ.

Англієць Юлон Дін зробив надзвичайне відкриття, порівнянне з відкриттям нових рис на старому портреті. Пильно вдивімося і в інші картини, раптом і на них виявиться те саме, що дає ключ до іншого сприйняття, переосмислення сутності, зміни долі прийдешніх поколінь…

*Атмосфера виробництв зі зберігання й пакування харчових продуктів давно стала модифікованою, вона так і називається: Modified Atmosphere Packaging.