В даний час енергетика рухається в бік декарбонізації і поновлюваних джерел енергії. Але, не дивлячись на те, що за останнє десятиліття в поновлювану енергетику було інвестовано 2,7 трильйона доларів, це майбутнє ще далеко.
Вся справа в економіці: експлуатація існуючих електростанцій, що працюють на викопному паливі, обходиться дешевше, ніж будівництво нових поновлюваних потужностей. Незважаючи на те, що в останні роки вартість відновлюваної енергії значно знизилася, у більшості країн, що розвиваються все ще немає доступу до технологій і ресурсів, необхідних для досягнення таких цін. Навіть в США в 2020 році електростанції, що працюють на викопному паливі та енергії з відходів (EfW), генерували 60% енергії. Тому поки не відбудеться різких змін в політиці або технологіях, велика частина світу буде продовжувати використовувати викопне паливо.
Незважаючи на те, що інвестиції змістилися в бік поновлюваних джерел енергії, світ не може ігнорувати викопне паливо. Навпаки, сьогодні як ніколи важливо шукати способи більш раціонального використання викопних видів палива.
Ефективність виробництва енергії на основі викопного палива складає 40%, тобто більша частина потенційної енергії втрачається у вигляді тепла, а не перетвориться в корисну потужність. Зниження навіть частини цих втрат призведе до значної економії енергетичних витрат і зниження викидів вуглецю.
Поліпшення вироблення енергії за рахунок ефективної теплопередачі.
Продуктивність електростанції вимірюється кількістю енергії, використовуваної для вироблення однієї кіловат-години (кВт · год), відомого як «теплова потужність станції». Якщо електростанція зможе знизити теплову потужність, тобто для виробництва такої ж кількості електроенергії витратити менше енергії, то це буде відповідати скороченню, як використовуваного палива, так і викидів, що утворюються в якості побічного продукту. Незважаючи на те, що можна домогтися підвищення теплової потужності за рахунок використання більш енергоємних джерел палива, найбільші поліпшення досягаються за рахунок усунення джерел неефективності теплопередачі протягом усього циклу генерації.
Розглянемо вугілля. Загальний ККД викопного палива складає 40%, але парові турбіни, що використовують вугільне паливо, працюють всього на 34%. Більше половини втрат ефективності відбувається в конденсаторі, де ефективність визначається тим, як швидко гарячий насичений пар перетворюється в рідину при передачі тепла в проточний охолоджувач.
На процес конденсації впливають два фактори. По-перше, те, як пара конденсується в рідину. В процесі конденсації на зовнішній стороні трубок конденсатора утворюється тонка плівка води. А оскільки вода має інший електропровідністю, ніж метал, плівка конденсату є ізоляційний шар між рештою гарячою парою і холодними трубками, обмежуючи ефективну теплопередачу.
Отже, можна підвищити ефективність конденсатора установки в два рази, збільшивши так звану «крапельну конденсацію», при якій рідина утворює безліч дрібних крапель, а не великі шари плівки (рис. 1). Ці краплі швидко скочуються з поверхні трубок конденсатора, збільшуючи швидкість конденсації, а також площа поверхні, доступну для теплопередачі. У лабораторних умовах ефективність теплопередачі теоретично може бути поліпшена до 100 разів за рахунок запобігання утворенню «конденсатних плівок».
1. Краплі води на необробленої поверхні (праворуч ) і обробленої поверхні (зліва), що демонструють різницю між плівковою і крапельної конденсацією.
Друга проблема, що впливає на ефективність конденсатора, - це засмічення. Біологічні організми і частинки сміття накопичуються всередині трубок, створюючи ще один ізолюючий шар, який «забруднює» конденсатор і перешкоджає ефективній передачі тепла. Таке «забруднення» може знижувати ефективність теплопередачі на 10%, пропорційно збільшуючи витрату палива.
За оцінками, витрати, пов'язані з «забрудненням» теплообмінників, складають приблизно 0,25% від валового внутрішнього продукту (ВВП) в високорозвинених країнах. Такі відкладення також змінюють текстуру внутрішньої поверхні трубок, порушуючи потік і знижуючи ефективність теплопередачі. Для вирішення цих проблем багато підприємств проводять очистку труб конденсаторів частіше, що значно збільшує час простою і обмежує експлуатаційні можливості підприємства.
Обидві проблеми пов'язані з адгезією. Тобто втрата ефективності конденсатора є результатом того, що вода і тверді частинки «прилипаючи» до металевих трубках, фізично створюють бар'єри, які значно знижують теплопередачу між гарячою парою зовні трубок і холодною водою всередині. Таким чином, найпростіше рішення - ускладнити «прилипання» до трубок конденсатора.
Нанокомпозитна обробка поверхні.
З огляду на перепади температур і інтенсивність використання, конденсатори є досить «жорсткою» середовищем. У поєднанні з вимогами галузі стає зрозуміло, що, незважаючи на очевидні можливості для підвищення ефективності, лише деякі ідеї можна використовувати практично.
Однак останні досягнення в області покриттів і обробки поверхні відкривають можливості для впровадження технологій прямого підключення, які не тільки підвищують ефективність, але і можуть застосовуватися в «старіючих» установках, що дозволяє істотно і негайно підвищити ефективність і витрата палива (рис. 2).
2. Теплообмінник до і після нанесення HeatX. Зображення до нанесення покриття через шість місяців експлуатації. Після обробки HeatX той же теплообмінник не очищали більше 54 місяців, що відповідає восьми циклам інтенсивного очищення.
Наприклад, команда Массачусетського технологічного інституту (MIT) недавно продемонструвала, як тонке графенове покриття, нанесене на трубки конденсатора, сприяє гарній крапельної конденсації і незначно впливає на теплопередачу. Випробування показали, що цей метод може поліпшити теплопередачу в чотири рази, що призведе до збільшення ефективності на 2-3% і щорічної економії палива на 1 мільйон доларів. І хоча графен - це досить дорога модифікація вуглецю, зниження цін, очікуване в найближчі кілька років, може зробити цей метод життєздатним.
Інше рішення - омніфобна (водо- і оливовідразлива ) обробка поверхонь. Нанокомпозит HeatX, який надає поверхні, на яку він нанесений, надзвичайно низьку поверхневу енергію. Це запобігає прилипанню відкладень і знижує опір тертя на обробленої поверхні без шкоди для початкової ефективності теплопередачі системи. Зменшення освіти «забруднення» також має додаткову перевагу, що полягає в збільшенні часу між чистками.
Незважаючи на те, що ці типи обробки поверхонь існують вже давно, вони або не довговічні, або їх потрібно було наносити таким товстим шаром, який перешкоджав теплопередачі. Для того щоб обробка поверхонь була прийнятною, вона повинна не тільки запобігати «забруднення», а й забезпечувати ефективну теплопередачу при мінімальних доробках.
HeatX відповідає всім цим вимогам. У дослідженні, проведеному на теплообмінниках з морською водою, в яких зазвичай сильно відбувається біообростання і ерозії від частинок піску, покриття товщиною менше 2 милий збільшило час між чистками з шести місяців до 54 місяців, що майже в 10 разів скоротить витрати на технічне обслуговування. При огляді оброблена поверхня не мала видимих біообростання і очистилася за допомогою сильного струменя води під тиском.
Обробка поверхонь HeatX, може підвищити ефективність електростанції більш ніж на 3-7%, скоротивши час простою і поліпшивши тепловіддачу. На одному з випробувальних полігонів це призвело до економії 2,125 мільйона доларів на рік за рахунок зниження витрат на паливо, тобто 600% окупності інвестицій (ROI) за п'ятирічний період із загальним терміном окупності менше 6 місяців.
При такому підвищенні ефективності на кожен 1 ГВт потужності скорочення викидів вуглецю скоротиться на 300 000 тон CO 2 в рік. Якщо дивитися на ситуацію в цілому, то поліпшення роботи конденсаторів в США запобіжить викиди 221,3 мільйона тонн CO2, що еквівалентно уловлювання вуглецю на площі складової 129 мільйонів акрів лісу. Отже, в глобальному масштабі, можна запобігти викидам 1,26 мільярда метричних тонн CO2 в атмосферу, що відповідає кількості вуглецю, що поглинається 1,5 мільярдами акрів лісу або роботі 262 000 вітряних турбін щорічно.
Забезпечення переходу галузі викопного палива в епоху відновлюваних джерел енергії.
Обробка поверхні нанокомпозитами HeatX, надає можливість переосмислити використання викопних видів палива в тому вигляді, в якому ми його застосовуємо сьогодні, викликаючи різкі зрушення в вуглецоємних процесах. У міру того, як світ переходить до більш екологічним майбутньому, такі інновації дозволяють змінити ситуацію вже зараз, мінімізуючи вплив викопного палива, на яке суспільство буде покладатися протягом багатьох років.
У міру появи більш стійких технологій, оперативні рішення дають впевненість в тому, що високі стандарти продуктивності будуть підтримуватися, а загальний економічний вплив руйнівних змін залишиться на прийнятному рівні для малозабезпеченої частини населення. Сучасні методи обробки поверхонь можуть зробити революцію в усьому енергетичному секторі - від виробництва і переробки вугілля до вироблення енергії на основі аміаку і водню.