Пар играл жизненно важную роль в нашем прошлом, играет такую же роль в настоящем и останется важным для будущего прогресса. Его выдающиеся свойства как носителя тепловой энергии делают его фундаментальным элементом производства множества вещей, которые мы ежедневно воспринимаем как должное. А благодаря быстро развивающимся технологиям и инженерным прорывам мы можем рассчитывать на то, что и в углеродно-нейтральном мире будущего продолжим пользоваться всеми его преимуществами.
Его не нужно было изобретать: он существует на Земле дольше нас. И сегодня его можно увидеть в самом естественном виде, когда он вырывается из гейзеров, создавая впечатляющие картины. Их мощь и напор помогают понять, почему пар остается самым распространенным в мире теплоносителем. Они также подчеркивают его природную сущность.
Способность пара удерживать значительный объем энергии, который можно использовать либо механически, например для вращения турбины, либо как тепло для множества процессов, делает его важным устойчивым и возобновляемым ресурсом. Благодаря пароконденсатному циклу вода в эффективных системах может возвращаться и использоваться повторно, одновременно снижая энергопотери.
Высокая эффективность, низкая токсичность, простота транспортировки, большая теплоемкость и низкая стоимость по сравнению со многими альтернативами делают мир без пара практически немыслимым. За последние 300 лет именно пар обеспечил огромное количество технологических достижений общества. И хотя механизмы и процессы, использующие пар, менялись, сам пар оставался фундаментальной частью нашей эволюции.
Он играет важную роль в фармацевтической отрасли, помогая безопасно, надежно и в больших объемах выпускать лекарства и вакцины. Медицинские учреждения зависят от пара, чтобы поддерживать инструменты в безопасном состоянии при лечении пациентов. Химическая и нефтехимическая промышленность нуждаются в паре для стабильной работы установок и производства множества продуктов, необходимых в повседневной жизни. От пластмасс до полиэстера, самого распространенного материала в одежде, и до аммиака, из которого получают удобрения для питания мира. А многочисленные применения пара в пищевой промышленности и производстве напитков означают, что нам не приходится сомневаться в безопасности и сроке хранения множества продуктов, которые мы едим и пьем.
Это лишь часть преимуществ, которые дает нам пар. Именно поэтому мы рассматриваем его не просто как полезное явление, а как природную технологию: безопасный, устойчивый и надежный способ повышать качество нашей жизни, которому почти нет равных.
Но, если не считать зрелищности, гейзеры почти не имеют для нас практической ценности, а геотермальный пар доступен лишь в немногих регионах мира. Это означает, что для использования ценности пара нам приходится генерировать его самостоятельно. И именно здесь лежит главный тест на его устойчивое будущее.
Нам нужен пар в огромных объемах, чтобы поддерживать развитие и привычное качество жизни. Поэтому крайне важно как можно быстрее уйти от генерации пара на газе, угле или нефти и перейти к возобновляемым и эффективным источникам энергии.
Принимая новые возможности
Глобальный энергетический кризис ускоряет крупные изменения в том, как мы производим энергию. Во-первых, быстро растет доля возобновляемой генерации, прежде всего ветровой и солнечной, хотя она и остается переменной. Во-вторых, день за днем увеличивается потенциал зеленого водорода, основанного на возобновляемой электроэнергии и электролизе. В-третьих, усиливается понимание необходимости электрификации тепла в промышленности и зданиях. И, наконец, появляются новые технологии хранения как тепла, так и электроэнергии, которые вскоре будут доступны в промышленном масштабе.
Подобные сдвиги в промышленности не происходят за одну ночь. Но времени у нас мало, если мы хотим уложиться в жесткие цели по углеродной нейтральности. Поэтому практические решения, закрывающие разрыв между выработкой и спросом на электроэнергию, становятся критически важными для устойчивой работы предприятий. Именно здесь инновации вроде теплового накопления энергии, при котором пиковая возобновляемая генерация улавливается, преобразуется в полезный пар и сохраняется до момента использования, будут играть ключевую роль. На рисунке 1 показано, почему нам необходимо максимально повышать эффективность использования таких источников, как солнечная энергия:
Предпринимая позитивные шаги уже сейчас
Если смотреть в целом, тепло отвечает более чем за двойной объем спроса по сравнению с глобальной выработкой электроэнергии и формирует 55% мировых энергетических выбросов¹. Снижение этого показателя является важнейшей целью декарбонизации², но до сих пор попытки часто были разрозненными: электрификацию, водород, биомассу и улавливание, использование и хранение углерода (CCUS) рассматривали по отдельности и лишь применительно к конкретным конечным задачам.
Именно поэтому путь к углеродной нейтральности иногда кажется таким сложным: приходится ждать, пока новые технологии заменят решения, на которые мы опирались десятилетиями, а иногда и столетиями. К счастью, способы использовать устойчиво произведенный пар уже находятся в пределах досягаемости.
По мере того как декарбонизация планеты становится все более срочной задачей, обнадеживает тот факт, что в случае пара это не означает отказа от него самого. Мы понимаем, что эпоха автомобилей на бензине и дизеле завершится, что использование природного газа будет ограничиваться и что ради будущего планеты придется принимать непростые решения.
Но с паром ситуация иная. Отказ от котлов на ископаемом топливе не требует ждать десятилетиями появления новых альтернатив. И это не означает полной перестройки существующих систем. Возможность дооснащать котлы электрическими нагревательными технологиями существует уже сейчас. А когда старое оборудование достигает конца срока службы, доступны новые и более эффективные электрические решения. По мере того как генерация энергии отходит от угля, газа и нефти, пар будет готов доказать свой потенциал как углеродно-нейтральной среды.
Одновременно с этим будет расти потребность делать больше меньшими ресурсами, постоянно оценивая и улучшая меры по эффективности, которые сделают пар еще более значимым для множества отраслей, зависящих от него. Наиболее действенным подходом здесь станут решения, основанные на данных и охватывающие систему целиком.
Поскольку пар используется в огромном количестве разных отраслей, существует большое разнообразие размеров систем, конфигураций, сценариев конечного применения и эксплуатационных практик. А это означает, что и возможностей для повышения эффективности паровых систем также очень много.
Точно так же как пар помогал цивилизациям мира расти и развиваться, теперь наступает очередь инженеров помочь ему сохранить свое место в истории. Пар уже провел нас через впечатляющий путь и, вероятно, продолжит делать это еще многие столетия.
> Именно инженеры всех специальностей будут проектировать, строить, модернизировать, эксплуатировать и обеспечивать безопасность инфраструктуры и технологий, необходимых для полной реализации декарбонизированного будущего Великобритании.Источники:
¹ "Global Energy Perspective 2022," McKinsey, April 26, 2022.
² Следует помнить, что достижение углеродной нейтральности относится не только к выбросам CO2, но и ко всем парниковым газам, включая метан и фторсодержащие газы. Здесь мы используем термин "декарбонизация" как собирательное обозначение всех релевантных мер по снижению выбросов.
National Engineering Policy Centre, Royal Academy of Engineering (https://raeng.org.uk/media/b4jpdttw/net-zero-a-systems-perspective-on-the-climate-challenge-final-nepc.pdf)
"Net-zero heat: Is it too hot to handle?", McKinsey Sustainability, July 22, 2022. (https://www.mckinsey.com/capabilities/sustainability/our-insights/sustainability-blog/net-zero-heat-is-it-too-hot-to-handle)