Профессор Политехнического института ЮУрГУ Евгений Соломин совместно с коллегами из Саудовской Аравии недавно опубликовал описание каскадной установки, объединяющей солнечную и геотермальную энергии, и позволяющей использовать тепло для получения холода. Установка экологична, в её основе природосберегающие технологии, и в то же время энергоэффективна.
Главный принцип установки — каскадное использование тепла. Вместо того чтобы сбрасывать горячие выхлопные газы топливного элемента в атмосферу (а это температура порядка 600–800°C), их энергия последовательно преобразуется в электричество, а затем — в холод. Это позволяет поднять общий КПД установки и сократить потери.
Всё начинается с геотермальной установки — скважины в земле, из которой идут пар или вода, при этом они недостаточно горячи для запуска турбин. Добрать нужную температуру помогает энергия солнца. Геотермальная энергия доступна круглые сутки, а солнечную приходится накапливать и рационально расходовать, сглаживая колебания температуры в течение суток.
Нагревшись достаточно, рабочая жидкость превращается в пар, крутит турбину, остывает, конденсируется, её собирает насос и подаёт под давлением снова на нагрев — это называется циклом Ренкина.
Здесь цикл повторяется дважды. Первый раз в качестве рабочей жидкости используются жидкие углеводороды и другая органика. Главное её преимущество перед водой — низкая температура кипения, потому достаточно геотермального нагрева. На следующем каскаде процесса в цикле используется обычная вода, но нагрев происходит за счёт выхлопных газов топливного элемента.
Твердооксидный топливный элемент — сердце установки. Это генератор, который превращает химическую энергию топлива напрямую в электричество, по сути, высокотемпературная батарея, работающая непрерывно, пока есть подача топлива и воздуха. Твердооксидный элемент состоит из трёх частей: анода, катода и твёрдого керамического электролита между ними. Керамика должна быть разогрета до 600–1000°C, чтобы начать проводить ионы кислорода. Именно этот жар и используется далее по каскаду.
Наконец, на последнем этапе абсорбционная холодильная машина преобразует остаточное тепло в холод.
Учёные оценивали не только энергетический КПД установки, но и эксергетический. Эксергия показывает «качество» или «полезность» энергии, точнее максимально полезную работу, которую энергия может совершить. Можно привести такую аналогию: энергия как объем воды в реке, а эксергия — «крутизна» русла, воды в реке, текущей по равнине, может быть много, но крутить турбину не получится, а если вода падает с высокой плотины — вырабатывается электричество.
Установка показывает следующие характеристики: чистая электрическая мощность — 307,62 кВт, производство холода — 67,32 кВт, энергетическая эффективность — 24,84%, эксергетическая эффективность — 18,18%, эксплуатационные затраты — 22,61 долларов в час.
По сравнению с базовой версией, применяемой сейчас без топливного элемента и парового цикла, новая схема даёт прирост энергетической эффективности на 2,76%, а эксергетической — на 8,12%. То есть и энергии становится больше и качество её делается лучше. Учёные выяснили, как изменение давления и температуры повлияют на энергию, её качество и финансовые расходы, так что на практике эксплуатирующий установку инженер сам сможет подобрать оптимальные параметры.
Установка станет отличным решением для тех регионов, где много солнца, и в то же время существуют геотермальные источники — на Ближнем Востоке, на Камчатке, в некоторых районах Урала.
