Технология процесса электрогенерации из низкотемпературной тепловой энергии окружающей среды – воды, воздуха, грунта

Глубокие теоретические, экспериментальные исследования и дополнения в изложение второго закона термодинамики показали, что классическая формулировка второго закона термодинамики Рудольфа Клаузиуса: «Энергия не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к более нагретому» является частным случаем состояния изолированной термодинамической системы.

В результате обоснованных предположений и исследований Джеймса Максвелла, Уильяма Томсона, Людвига Больцмана, технического решения Роберта Стирлинга, в результате современных теоретических исследований Лео Сцилларда, Рольфа Ландауэра, Кристофера Ярзинского, Чарльза Беннетта, Ивана Хаймовича, Эрика Луца, в результате фактов наличия природных явлений и итогов приведенных экспериментальных и технических решений становится очевидным, что энергия может передаваться от тела менее нагретого к более нагретому.

На основании приведенных современных исследований формулировку второго закона термодинамики Рудольфа Клаузиуса можно дополнить и изложить более справедливо в следующей редакции:

«В изолированной термодинамической системе, состоящей из двух частей, энергия низкотемпературной части системы может передаваться в высокотемпературную часть системы посредством природных явлений и технических конструкций внутри системы за счёт внутренней энергии низкотемпературной части системы».

Теоретические и экспериментальные исследования природных явлений и основанные на полученных знаниях технические решения привели к созданию и испытанию опытных и промышленных образцов устройств генерации электрической мощности из низкотемпературной мощности окружающей среды – воды, воздуха, грунта.

Технология процесса электрогенерации из низкотемпературной тепловой энергии окружающей среды – воды, воздуха, грунта

Активно развивающиеся технологии солнечной и ветроэнергетики не лишены проблем. К существенным недостаткам, выявленным в процессе эксплуатации, следует отнести зависимость от погоды, времени суток, климата и локации. Указанные факторы обуславливают нестабильный режим генерации, что требует создания накопителей энергии и сложных систем управления. Кроме того, резкие длительные изменения погодных факторов в отдельных регионах вызывают энергетические коллапсы и гуманитарные проблемы. Следует отметить также весьма низкий КПД, потолок которого на сегодня для ветрогенерации – 0,4, для солнечной генерации – 0,25 при условии стабильности источника, на практике среднегодовой КПД снижается до 0,15.

Цель развития технологии возобновляемой безуглеродной низкотемпературной энергетики призывает разрешить перечисленные проблемы, нивелировать недостатки и добиться получения автономной стабильной и низкозатратной генерации электрической и тепловой энергии. Цель выражается предлагаемой парадигмой современной без углеродной энергетики, а именно – главным источником энергии для Земли является Солнце, которое передает на земную поверхность удельную усредненную мощность, равную 1367 ватт на один квадратный метр. Второй по значимости источник – раскаленное земное ядро – передает на земную поверхность не более 0,02 % от солнечной мощности.

Прямое применение низкотемпературной солнечной мощности в электрогенерации обладает следующими преимуществами:

• 1)    низкотемпературный энергоноситель – воздух, грунт, вода – обладает неограниченным пополняемым солнечным, аэро-термальным, гидротермальным и геотермальным ресурсом;

• 2)    минимально зависит от погодных и климатических условий;

• 3)    не изменяет энергетический баланс и экологию планеты;

• 4)    не расходует углеводородные ресурсы;

• 5)    не снижает уровень кислорода;

• 6)    не выделяет вредных выбросов;

• 7)    не ограничен географией Земли вплоть до Антарктиды.

Впервые идея низкотемпературной электрогенерации взамен дизель-генераторов была гениально высказана К. Э. Циолковским с целью развития плана ГОЭЛРО. Однако технологическая среда того времени, как и в истории идеи полёта в космос, не позволяла технически реали-– 324 – зовать такую задачу. Современное развитие техники в части высокоскоростных (до 500000 об/ мин) электрогенераторов, силовой электроники, газодинамических подшипников создает все необходимые условия для решения задачи низкотемпературной электрогенерации в неограниченном масштабе.

Для разработки технических решений и технологического применения процесса низкотемпературной электрогенерации при допустимых потерях 5 % необходим расчёт баланса мощности процесса, который представлен на рис. 1.

Исходные данные

Тепловая мощность низкотемпературного источника W _ист (испарителя) = 50 кВт;

Коэффициент трансформации (компрессии) мощности СОР = 4;

КПД _т турбоэлектрогенератора = 50 % (0,5).

Расчет баланса

Мощность, потребляемая компрессором:

W _K омп = W uct /COP = 500/4 = 12,5 кВт

Баланс мощности:

W uct — W тэг — W _K омп — W вых = 0 50-25-12,5-12,5 = 0

Тепловая мощность, выделяемая на конденсаторе:

W koh = W uct — W тэг + W _K омп 37,5 кВт = 50—25 + 12,5

Полный баланс мощности: W_uct = W_koh + W _вых 50 кВт = 37,5 + 12,5

Мощность вырабатываемой электроэнергии:

W _ТЭГ = W _ист х КПД _т 50 х 0,5 = 25 кВт

Мощность выхода к внешнему потребителю:

W вых = W ТЭГ – W комп 12,5 кВт = 25–12,5

Рис. 1. Баланс мощности низкотемпературного электрогенератора

Fig. 1. Power balance of a low-temperature electric generator – 325 –

Низкотемпературный электрогенератор – это современный высокотехнологичный прибор широкого применения – от генерации электрической энергии до отопления, кондиционирования, горячего водоснабжения и автономной работы бытовых приборов.

Принцип работы: испаритель собирает рабочим телом (фреоном) низкотемпературное тепло, направляет его в компрессор, который повышает давление, преобразует его в высокотемпературное тепло. Рабочее тело посредством турбины с мотор-генератором преобразует высокотемпературное тепло в электрическую энергию.

На основании инженерных расчётов и данных, полученных при работе экспериментального образца н изкотемпературного электрогенератора в медицинском центре г. Красноярска с климатической сплит-системой ND-OH-080B-1, а также термодинамических расчетов составлена электронная интерактивная физико-математическая технологическая модель, которая представлена на рис. 2.

Рис. 2. Электронная технологическая модель параметров процесса

Fig. 2. Electronic process parameter model

Модель позволяет ввести необходимые входные технические параметры конструкции низкотемпературного электрогенератора (синий шрифт) и получить расчетные технологические параметры для разработки конструкции систем генерируемой мощности как для работы системы, так и для внешнего потребителя.

Пример практически апробированных технических и экономических параметров показывает опыт работы инновационной группы компаний «ЭРГА», которая, благодаря своим оригинальным техническим решениям, слаженной исследовательской и технической команде, мотивированному, грамотному руководству, на основании уникальных решений создает высокоскоростные мотор-генераторные энергоблоки, превосходящие все мировые аналоги. Опыт «ЭРГА» дает понимание разработчикам и производителям принципиально новых возможностей систем электрогенерации.

Экономические преимущества, результаты развития, области применения

Ключевым преимуществом создания систем низкотемпературной электрогенерации является экономический фактор в виде удельной стоимости установленной мощности и себестоимости производства мощности. Таблица стоимостных показателей приведена на основании данных Международного энергетического агентства IEA (рис. 3).

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЕКТА В СРАВНЕНИИ:

1. НИЗКАЯ УДЕЛЬНАЯ СЕБЕСТОИМОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ - ПРИ СЕРИЙНОМ ВЫПУСКЕ НИЖЕ 500 $/кВт

2. СЕБЕСТОИМОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ БЛИЗКА К 0,1 цент $/кВт*ч

УДЕЛЬНАЯ СЕБЕСТОИМОСТЬ УСТАНОВЛЕННОЙ МОЩНОСТИ И ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ В МИРЕ ПО ДАННЫМ IEA НА 2024 Г.	Капитальные вложения, $/кВт		Себестоимость производства, цент $/ кВт* ч
	2005	2030	2005	2030
Биомасса	1000-2500	950-1900	3,1-10,3	3,0-9,6
Геотермальная энергетика	1700-5700	1500-5000	3,3-9,7	3,0-8,7
Традиционная гидроэнергети ка	1500-5500	1500-5500	3,4-11,7	3,4-11,5
Малая гидроэнергетика	2500	2200	5,6	5,2
Солнечная фотоэнергетика	3750-3850	1400-1500	17,8-54,2	7,0-32,5
Солнечная теплоэнергети ка	2000-2 300	1700-1900	10,5-23,0	8,7-19,0
Приливная энергетика	2900	2200	12,2	9,4
Наземная ветроэнергетика	900-1100	800-900	4,2-22,1	3,6-20,8
Морская ветроэнергетика	1500-2500	1500-1900	6,6-21,7	6,2-18,4
АЭС	1500-1800	-	3,0-5,0	-
ТЭС на угле	1000-1200	1000-1250	2,2-5,9	3,5-4,0
ТЭС на газе	450-600	400-500	3,0-3,5	3,5-4,5
Низкотемпературная электрогенерация	Менее 500 $/квт		0,1 цент$/кВт*ч

Рис. 3. Удельные капитальные вложения по видам энергетики по данным Международного агентства IEA, 2024 г.

Fig. 3. Specific capital investments by type of energy according to the data of the international agency IEA 2024

Дополнительным крайне актуальным преимуществом является благотворное влияние на экологию территории. Пример применения проекта для города Красноярска принят решением Минэкологии Красноярского края 29.03.2024 (рис. 4).

Основные области применения проекта в реальном секторе экономики:

• 1.    ГИДРОЭНЕРГЕТИКА – увеличение мощности существующих ГЭС до 100 %.

• 2.    АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА – увеличение мощности существующих АЭС за счёт тепловых выбросов до 30 %.

• 3.    МЕТАЛЛУРГИЯ – собственная электрогенерация, снижение себестоимости металла до 40 %.

• 4.    АПК – автономная энергогенерация теплиц, сельхозтехники, животноводческих и перерабатывающих комплексов, снижение себестоимости до 40 %.

• 5.    ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТ – автономное энергообеспечение наземного, подземного, рельсового, водного и автомобильного электротранспорта и сельхозтехники.

• 6.    ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА АВИАЦИИ И КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ.

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ ИСПАРЕНИЯ РЕКИ ЕНИСЕЙ ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА ОСАЖДЕНИЕ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ ГОРОДА И ВОЗМОЖНОСТЬ ЕЁ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ ГОРОДА:

Электрическая мощность Красноярской ГЭС - 6 Гвт

Тепловая мощность воды сброса Красноярской ГЭС при охлаждении на 1 С° объёма воды в 1000 мЗ/сек Pt = 7200 Гкал/час = 8,37 Гвт - это больше ГЭС! Для отопления города Красноярска достаточно с избытком 2 Гвт.

ФАЗОВОГСТПЕМ (ИСПАРЕНИЕ Bl БОЛЕЕ 8 Гвт

МОЩНОСТЬ ФАЗОВОГО „ ПЕРЕХОДА —* (КОНДЕНСАЦИЯ НАСЫЩЕННОГО ВЫБРОСАМИ ПАРА) БОЛЕЕ

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАЦИИ ПОЗВОЛЯЕТ ОБЕСПЕЧИТЬ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ ГОРОД КРАСНОЯРСК ПРИ МАКСИМАЛЬНО ЧИСТОМ ВОЗДУХЕ

Рис. 4. Экологические и энергетические преимущества низкотемпературной электрогенерации

Fig. 4. Environmental and energy benefits of low-temperature electricity generation

Реализация результатов исследования в ведущих предприятиях и научных организациях:

• 1.    Запрос ПАО АК «АЛРОСА» шифр 24042400035–8 «ЭЛЕКТРОГЕНЕРАЦИЯ ИЗ АРКТИЧЕСКОГО ХОЛОДА» заявлен как пилотный проект Минобрнауки.

• 2.    Договор № 22–22–573/17152/723 Федеральное государственное унитарное предприятие ГК «Росатом» «Горно-химический комбинат» (ФГУП «ГХК») – СФУ на выполнение научноисследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) «Техническое перевооружение. Оснащение электрогенерацией подгорной части предприятия с использованием низкопотенциального тепла вытяжного вентиляционного воздуха».

• 3.    Решение Минэкологии Красноярского края 29.03.2024 протокол № 2, п. 11 «Низкотемпературная электрогенерация из воды реки Енисей».

• 4.    Запрос ОАО «РЖД» – альтернативная электрогенерация объектов РЖД Проект Соглашения ФИЦ КНЦ СО РАН с ФГБУ «ВИТ «ЭРА» МО РФ 2024 г. (в стадии подписания).

• 5.    Технические решения защищены патентами РФ 2692615, 2738494, патентом ЕАПО № 037428, в 4 странах Евразии патентом EP37791, в 17 странах Европы, заявкой КНР 343981619.

• 6.    Постановление заседания научного совета Секции механизации, электрификации, автоматизации Отделения сельскохозяйственных наук РАН от 19.03.2025 г.г. Москва 1-й Институтский проезд, дом 5, 2 этаж музея. «Считать приоритетными междисциплинарные фундаментальные и прикладные научные исследования и разработки экологически чистых и экономически эффективных средств генерации тепловой и электрической энергии из низкотемпературных тепловых источников – воды, воздуха, грунта».