Основы термодинамики в преобразовании энергии

Законы термодинамики устанавливают фундаментальные пределы и возможности преобразования тепла в работу, процесс, лежащий в основе всей тепловой генерации. Первый закон, сохранение энергии, количественно определяет энергетический баланс в любом цикле, а второй закон вводит понятие энтропии, определяя максимальную теоретическую эффективность — эффективность Карно — которую не может превзойти ни один реальный цикл. Понимание этих принципов позволяет инженерам определять, где происходят потери, и проектировать циклы, которые приближаются к этим теоретическим пределам более близко, чем когда-либо прежде.

Анализ энергии, полученный из второго закона, обеспечивает мощный инструмент для выявления неэффективности в энергетических циклах. В отличие от анализа энергии, который отслеживает только количество, анализ энергии учитывает качество или доступность энергии, раскрывая точно, где уничтожается полезный потенциал работы. Для циклов с нулевым уровнем выбросов первостепенное значение имеет минимизация разрушения энергии, поскольку каждая единица топлива, не преобразованная в работу, представляет собой как экономическую стоимость, так и экологическую нагрузку. Современные программные инструменты позволяют детально отображать энергию по компонентам цикла, направляя выбор рабочих давлений, температур и рабочих жидкостей.

Термодинамические свойства рабочих жидкостей — удельная теплоемкость, температура кипения, критическая температура и давление, плотность и вязкость — диктуют архитектуру цикла. Для низкотемпературных источников тепла, таких как геотермальные рассолы или промышленное отработанное тепло, предпочтительны жидкости с низкими точками кипения, такие как аммиак или некоторые углеводороды. Для высокотемпературных источников сверхкритические жидкости, такие как углекислый газ, предлагают уникальные преимущества, полностью избегая фазового изменения, тем самым снижая необратимость, связанную с кипением и конденсацией. Выбор жидкости напрямую влияет на размер компонентов, требования к материалу и общую эффективность системы.

Механизмы теплопередачи — проводимость, конвекция и излучение — взаимодействуют с конструкцией термодинамического цикла для формирования производительности теплообменников, конденсаторов и испарителей. Компактные теплообменники с улучшенной геометрией поверхности уменьшают перепады температур и перепады давления, повышая эффективность цикла. В циклах с нулевым уровнем выбросов, где каждый процентный пункт повышения эффективности снижает потребление топлива и выбросы, оптимизация теплопередачи не является факультативной — это важно. Расширенная вычислительная динамика текучей среды теперь позволяет инженерам моделировать теплообмен в микромасштабе, что позволяет создавать конструкции, которые были недостижимы десять лет назад.

Традиционные энергетические циклы и их экологические ограничения

Цикл Ранкина, рабочая лошадка угольных и атомных электростанций более века, работает путем кипячения воды в пар, расширения ее через турбину, конденсации ее обратно в жидкость и возвращения ее в котел. Несмотря на десятилетия оптимизации, цикл Ранкина сталкивается с фундаментальными термодинамическими ограничениями: высокая скрытая теплота воды означает, что для изменения фазы требуется значительная энергия, а максимальная температура ограничена коррозией материала и ползучестью. Типичные угольные заводы Ранкина достигают около 33-40% тепловой эффективности, а остальная часть отбрасывается в качестве отработанного тепла. Даже при передовых сверхкритических условиях эффективность редко превышает 47%, а выбросы углерода остаются существенными, если не добавлен улавливание и хранение углерода - энергоемкий процесс, который еще больше снижает чистую эффективность.

Цикл Брэйтона, используемый в турбинах природного газа и реактивных двигателях, сжимает воздух, сжигает топливо, расширяет горячий газ через турбину и выхлопывает его. Современные установки комбинированного цикла — цикл верхнего уровня Брэйтона в паре с циклом донного уровня Ранкина — достигают эффективности до 63%, что делает природный газ самым чистым вариантом ископаемого топлива. Однако цикл Брэйтона по-прежнему производит CO2 непосредственно от сгорания, и высокие температуры выхлопа требуют надежных материалов. Для работы с нулевым уровнем выбросов цикл Брэйтона должен быть адаптирован для использования безуглеродного топлива, такого как водород или аммиак, или интегрирован с сжиганием окситоплива, где выхлоп в основном CO2 и вода, что позволяет захватывать CO2.

Оба традиционных цикла страдают от значительного разрушения в процессе сгорания, когда химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию при высокой температуре, но с существенной генерацией энтропии. Эта фундаментальная необратимость ограничивает максимальную извлечение работы независимо от улучшений конструкции нисходящего потока. Циклы нулевого выброса стремятся обойти это ограничение, используя возобновляемые источники тепла - солнечные тепловые, геотермальные, ядерные - или используя замкнутые циклы с негорючим добавлением тепла, такие как концентрированная солнечная энергия или передовые ядерные реакторы. Термодинамическая задача переходит от управления необратимостью сгорания к согласованию температуры источника тепла с свойствами циклической рабочей жидкости.

Экологические нормы ужесточаются во всем мире, что приводит к поэтапному отказу от неослабевающих угольных электростанций и стимулированию производства низкоуглеродистой продукции. Система торговли выбросами Европейского союза, План чистой энергии Агентства по охране окружающей среды США 2.0 и аналогичная политика в Китае и Индии вынуждают коммунальные службы либо модернизировать существующие установки с улавливанием углерода, либо заменить их альтернативами с нулевым уровнем выбросов. Термодинамические инновации являются единственным путем для удовлетворения этих правил, не жертвуя надежностью сети или экономической жизнеспособностью. Циклы, разрабатываемые сегодня, должны быть готовы к развертыванию в течение следующего десятилетия для согласования с климатическими целями 2030-2050 годов.

Термодинамические инновации, приводящие к циклам с нулевым уровнем выбросов

Органический цикл Ранкина

Органический цикл Ранкина заменяет воду органической рабочей жидкостью - обычно углеводородом, хладагентом или силиконовым маслом - которая имеет более низкую температуру кипения и более высокую молекулярную массу. Это позволяет ORC генерировать энергию из источников тепла при температурах до 80-150°C, где обычный цикл Ранкина пара был бы непрактичным. Термодинамическое преимущество заключается в сопоставлении температуры испарения рабочей жидкости с температурой источника тепла, уменьшая разрушение энергии в испарителе. Системы ORC были развернуты в геотермальных электростанциях, установках сжигания биомассы, солнечных тепловых установках и промышленных установках для рекуперации тепла отходов, с размерами блока от 10 кВт до 50 МВт.

Эффективность систем ORC сильно зависит от выбора рабочей жидкости и конфигурации цикла. Простые циклы ORC с одним давлением испарителя достигают обычно 10-20% эффективности для низкотемпературных источников, в то время как более продвинутые конфигурации, такие как регенеративный ORC, где внутренний теплообмен предварительно нагревает жидкость до испарителя, могут повысить эффективность до 25% или выше. Транскритический ORC, где жидкость сжимается до сверхкритического давления перед нагреванием, устраняет температурное плато, связанное с кипением, еще больше уменьшая разрушение эксергии. Исследования изучают цеотропные смеси - смеси двух или более жидкостей с различными точками кипения - для создания неизотермического изменения фазы, которое более близко следует кривой охлаждения источника тепла, потенциально добавляя 2-5 процентных пунктов эффективности цикла.

Потенциал нулевого выброса ORC реализуется, когда сам источник тепла не содержит углерода. Геотермальные установки ORC, например, производят электроэнергию без сгорания и минимальных выбросов в течение жизненного цикла — примерно 15-50 г CO2eq / кВтч по сравнению с 800-1000 г для угля. Солнечные тепловые системы ORC используют параболические впадины или линейные отражатели Fresnel для нагрева теплопередающей жидкости, которая затем приводит в действие ORC, с тепловым хранением, позволяющим отправлять энергию после захода солнца. Промышленное рекуперирование тепла с использованием ORC не снижает выбросы напрямую, но избегает необходимости в дополнительной генерирующей мощности, эффективно вытесняя энергию ископаемого топлива. С глобальным потенциалом рекуперации тепла, оцененным в 300 + TWh в год, технология ORC представляет собой значительную возможность для энергии с нулевым уровнем выбросов.

Сверхкритические циклы CO2

Сверхкритический цикл CO2 работает с углекислым газом выше критической точки (31 ° C, 7,4 МПа), где жидкость существует как единая фаза с плотностью, подобной жидкости, но вязкостью и диффузивностью, подобной газу. Эта уникальная комбинация позволяет очень компактному турбомашинному оборудованию - турбина и компрессор могут быть на порядок меньше эквивалентных паровых компонентов - и высокой тепловой эффективностью даже при умеренных температурах. Сверхкритический цикл CO2 достигает 45-50% эффективности при температурах входа турбины 550-650 ° C, сопоставимых с лучшими паровыми циклами, но с гораздо более простой компоновкой и более низкой капитальной стоимостью. При интеграции с передовыми ядерными реакторами или концентрированной солнечной энергией, которая может обеспечить температуры выше 700° C, эффективность выше 60% теоретически возможна.

Существует несколько конфигураций цикла, наиболее распространенными из которых являются простой цикл рекуперации, цикл рекомпрессии и цикл частичного охлаждения. Цикл рекомпрессии разделяет поток CO2 на два потока - один проходит через основной компрессор, в то время как другой обходит охладитель и сжимается отдельно - чтобы избежать проблемы с зажимной точкой в низкотемпературном рекуператоре. Эта конфигурация достигает более высокой эффективности, чем простой цикл рекуперации, особенно когда температура окружающей среды высока. Частичный цикл охлаждения добавляет дополнительный охладитель и компрессор между низкотемпературным рекуператором и основным компрессором, предлагая еще лучшую эффективность, но с большим количеством компонентов и сложностью управления. Выбор цикла зависит от конкретной температуры источника тепла, условий окружающей среды и ограничений по стоимости.

Сверхкритические циклы CO2 по своей сути подходят для выработки электроэнергии с нулевым уровнем выбросов, потому что они могут быть сопряжены с любым источником тепла без углерода. Для концентрированной солнечной энергии цикл CO2 заменяет традиционный паровой цикл Ранкина, обеспечивая более высокую эффективность и более низкое потребление воды - критическое преимущество в засушливых регионах, где часто размещают CSP. Для передовых ядерных реакторов, таких как быстро охлаждаемые натрием быстрые реакторы или реакторы с фторидным солевым охлаждением, высокотемпературное тепло приводит в движение цикл sCO2 напрямую, избегая необходимости вторичной паровой системы и повышая безопасность. Кроме того, поскольку рабочая жидкость представляет собой CO2, любая утечка из энергетического блока может быть захвачена и переработана, что делает цикл эффективно замкнутым с почти нулевыми выбросами. Исследования в таких учреждениях, как Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии [FLT: 1] и [FLT: 2] Сандийские национальные лаборатории [FLT: 3] продвигает технологию sCO2 к коммерческой демонстрации.

Комбинированные и гибридные циклы архитектуры

Комбинированные циклы объединяют два или более термодинамических циклов для захвата энергии в более широком температурном диапазоне, повышая общую эффективность. Наиболее зрелым примером является комбинированный цикл газовой турбины, где цикл Брэйтона вырабатывает тепло при 500-600°C до нисходящего цикла Ранкина, достигая общей эффективности выше 60%. Для приложений с нулевым уровнем выбросов цикл Брэйтона может заправляться зеленым водородом или аммиаком, производя только водяной пар в качестве продукта сгорания. Затем выхлопное тепло приводит в движение пар или цикл донного сжатия ORC, извлекая дополнительную работу до того, как вода конденсируется и перерабатывается. Этот комбинированный цикл на водородном топливе осуществляется несколькими энергетическими компаниями в качестве диспетчерской технологии с нулевым уровнем выбросов.

Гибридные циклы идут еще дальше, комбинируя различные источники энергии в рамках одной термодинамической структуры. Например, солнечная гибридная система может использовать сверхкритический цикл CO2 в качестве основного блока питания, с природным газом или водородным горючим, обеспечивающим дополнительное тепло для поддержания температуры входа турбины, когда солнечного излучения недостаточно. Термодинамическое преимущество заключается в том, что гибридная система может работать с высокой эффективностью в более широком диапазоне условий, чем любая отдельная технология. Интеграция хранения тепловой энергии - например, расплавленная соль или материалы с фазовым изменением - еще больше повышает гибкость гибридных циклов, позволяя им переносить генерацию в периоды высокой потребности в электроэнергии.

Районные гибридные циклы — это новая концепция для будущих городов, где отработанное тепло промышленных процессов, дата-центров или электролизеров захватывается и модернизируется с помощью тепловых насосов или резистивного нагрева для привода распределенного блока ORC или sCO2. Такой подход, известный как «городская тепловая добыча», превращает сам город в низкосортный источник тепла, уменьшая потребность в выделенной генерации и снижая углеродный след всего района. Термодинамическое моделирование таких систем должно учитывать пространственную и временную изменчивость потоков отработанного тепла, требуя инструментов динамического моделирования, которые не может обеспечить обычный стационарный анализ.

Материаловедение и проблемы системной интеграции

Продвинутые термодинамические циклы раздвигают границы температуры, давления и коррозии, требуя материалов, которые могут выдержать экстремальные условия без катастрофического отказа. В сверхкритических циклах CO2 рабочая жидкость очень коррозионна при высоких температурах, особенно при наличии влаги или примесей. Суперсплавы на основе никеля, такие как Inconel 740H и Haynes 282, в настоящее время необходимы для лопастей турбин и трубок теплообменника, но их высокая стоимость и ограниченная доступность ограничивают коммерческое развертывание. Альтернативные материалы - композиты керамической матрицы, оксидные дисперсионно-укрепленные сплавы и тугоплавкие металлы - находятся в активной разработке, но еще не достигли надежности, необходимой для 30-летнего срока службы завода.

Производительность теплообменника является критическим узким местом. Рекуператор в цикле sCO2 обрабатывает большой температурный дифференциал - от приблизительно 100°C до 500°C - при работе при давлениях выше 20 МПа. Компактные печатные теплообменники, изготовленные путем диффузионного связывания травленных металлических пластин, предлагают высокую площадь поверхности и структурную целостность, но они дороги и трудны для производства в больших размерах. Аддитивное производство становится потенциальным решением, позволяющим использовать сложные геометрии каналов, которые оптимизируют теплообмен и падение давления одновременно, но технология еще недостаточно зрелая для массового производства. Для систем ORC проблема теплообменника различна: рабочая жидкость может вызывать отек или растворение эластомерных уплотнений, а сами органические жидкости могут разрушаться при высоких температурах, образуя кислоты, которые атакуют металлические поверхности.

Системная интеграция — процесс соединения термодинамического цикла с источником тепла, системой охлаждения и электрической сетью — создает дополнительные проблемы. Тепловой цикл во время запуска и отключения вызывает механическую усталость в трубопроводах и сосудах, особенно когда колебания температуры превышают 100°C в час. Система управления должна управлять несколькими взаимодействующими петлями — инвентаризацией рабочей жидкости, потоком охлаждающей воды, обходными клапанами — для поддержания стабильной работы при реагировании на сигналы сетки. Для циклов с нулевым уровнем выбросов в паре с переменными возобновляемыми источниками энергии задача управления усиливается: тепло, поступающее от солнечной или ветряной энергии, колеблется в временных масштабах от секунд до часов, а термодинамический цикл должен быть в состоянии наращивать и снижать без чрезмерного теплового напряжения или потери эффективности.

Доступность воды является часто упускаемым ограничением для энергетических циклов, особенно в засушливых городских районах. Обычные паровые циклы Rankine требуют большого количества охлаждающей воды, как правило, 2-3 литра на кВтч. Сверхкритические циклы CO2 с их более простыми требованиями к охлаждению могут снизить потребление воды на 80-90% по сравнению с паром, а сухое охлаждение (с использованием воздуха вместо воды) становится возможным без запретительных штрафов за эффективность. Для городов в районах с дефицитом воды это термодинамическое преимущество делает циклы sCO2 более устойчивым выбором, чем паровые альтернативы. Управление перспективного производства Министерства энергетики США профинансировало несколько проектов по сокращению использования воды в производстве электроэнергии посредством передовой конструкции термодинамического цикла.

Интеграция возобновляемых источников энергии с термодинамическими циклами

Прерывистость ветра и солнечной энергии является единственным самым большим препятствием для полностью возобновляемой сети. Термодинамические циклы с хранением тепловой энергии предлагают решение: когда возобновляемая генерация превышает спрос, избыточное электричество может использоваться для нагрева среды хранения - расплавленной соли, твердого керамического кирпича или материалов с фазовым изменением - что позже приводит к циклу питания, когда солнце садится или ветер умирает. Концентрированные солнечные электростанции с хранением расплавленной соли уже достигают коэффициентов мощности выше 50%, а продвинутые циклы sCO2 в сочетании с высокотемпературным тепловым хранением могут подтолкнуть это к 70% или выше. КПД круглого цикла теплового хранения (электричество для нагрева до электричества) обычно составляет 40-50%, по сравнению с 80-90% для литий-ионных батарей, но стоимость за МВтч хранения значительно ниже, что делает тепловое хранение привлекательным для многочасовых и многодневных длительностей хранения.

Геотермальная энергия обеспечивает постоянный, диспетчеризуемый источник тепла, который естественным образом соединяется с циклами ORC и sCO2. Усовершенствованные геотермальные системы, которые используют гидравлический разрыв для создания проницаемости в горячих сухих горных породах, могут значительно расширить географический диапазон геотермальной мощности. Термодинамическая задача заключается в управлении снижением температуры в течение срока службы геотермальной скважины - обычно 5-15% за десятилетие - что требует конструкций цикла, которые могут адаптироваться к изменяющимся условиям источника тепла. Расширенные схемы цикла, такие как ORC регулируемого давления или цикл sCO2 переменного инвентаря, позволяют системе поддерживать высокую эффективность даже при охлаждении геотермального резервуара, продлевая экономическую жизнь ресурса.

Восстановление тепла из отходов промышленных процессов - сталелитейного производства, производства цемента, химического производства - представляет собой важную неиспользованную возможность для производства электроэнергии с нулевым уровнем выбросов. В глобальном масштабе на промышленное тепло отработавших отходов приходится примерно 20-50% общего объема промышленного энергозатрат, большая часть которого при температурах ниже 200 ° C, где системы ORC превосходят. Устанавливая блоки ORC на существующих промышленных стеках, объекты могут генерировать электроэнергию из побочного продукта, который в противном случае был бы потрачен впустую, уменьшая их приобретенную электроэнергию и связанные с ней выбросы. Политические механизмы, такие как тарифы на питание или стандарты портфеля возобновляемых источников энергии, которые признают восстановление тепла отработавших отходов как ресурс с нулевым уровнем выбросов, могут ускорить развертывание.

Экономические и политические соображения по развертыванию городов

Уравненные затраты на электроэнергию из термодинамических циклов с нулевым уровнем выбросов должны конкурировать с традиционной генерацией ископаемых и с другими возобновляемыми технологиями, такими как солнечная фотоэлектрическая энергия и ветер. Текущие оценки для систем ORC варьируются от 0,08 до 0,15 долларов за кВт-ч, в зависимости от температуры источника тепла и размера системы, в то время как циклы sCO2, по прогнозам, достигнут 0,06-0,10 долларов за кВт-ч, как только будет достигнута шкала производства. Эти затраты конкурентоспособны с оффшорной ветровой и солнечной энергией коммунального масштаба с хранением, особенно когда ценятся выбросы в течение жизненного цикла. Ценообразование углерода - будь то через налог на выбросы углерода, ограничение и торговля или чистый стандарт электроэнергии - улучшает экономическое обоснование для циклов с нулевым уровнем выбросов, наказывая ископаемые генерации. Городские политики могут ускорить принятие, включив право на цикл с нулевым уровнем выбросов в мандаты на возобновляемую энергию, предлагая налоговые кредиты или гранты для демонстрационных проектов и оптимизируя процессы выдачи разрешений для районных энергетических систем.

Городские условия представляют уникальные возможности и ограничения для развертывания термодинамического цикла. Доступность земли ограничена, что благоприятствует циклам с компактными следами - циклы sCO2 превосходят здесь, с плотностью мощности в 5-10 раз выше, чем пар. Шум и эстетические соображения имеют значение в жилых районах, что благоприятствует закрытым, модульным блокам с расширенным звуковым затуханием. Доступ к охлаждающей воде часто ограничен, как отмечалось ранее, что делает циклы с сухим охлаждением sCO2 особенно привлекательными. Самое главное, спрос на городскую энергию сосредоточен и диверсифицирован: электричество для освещения и приборов, тепло для зданий и горячей воды и охлаждение для кондиционирования воздуха. Термодинамические циклы могут быть разработаны для когенерации - одновременно производить электричество и полезное тепло - достижение общей эффективности выше 80-90% по сравнению с 35-50% для генерации только электроэнергии. Районные тепловые сети, которые распределяют горячую воду из центрального цикла питания в окружающие здания, распространены в европейских городах, таких как Копенгаген, Хельсинки и Стокгольм, и в настоящее время рассматриваются в плотных городских

Развитие рабочей силы является часто игнорируемым барьером. Термодинамические циклы требуют квалифицированных инженеров и техников, которые понимают передовую термодинамику, материаловедение, системы управления и проектное финансирование. Университеты и технические колледжи должны обновить учебные программы, чтобы включить сверхкритические жидкости, проектирование ORC и интеграцию термохранилищ, в то время как отраслевые ассоциации могут облегчить стажировки и программы обучения. Без обученной рабочей силы даже самые передовые термодинамические инновации будут бороться за достижение коммерческого развертывания.

Будущие направления и исследовательские рубежи

Следующее поколение энергетических циклов с нулевым уровнем выбросов, вероятно, будет включать рабочие жидкости, которые являются не просто отдельными соединениями, но инженерными смесями, адаптированными к конкретным источникам тепла и условиям окружающей среды. Ионные жидкости - соли, которые являются жидкими при комнатной температуре - имеют почти нулевое давление пара, устраняя риск потерь испарения, и могут нагреваться до высоких температур без разложения. Исследования изучают их использование в качестве теплопередающих жидкостей в солнечных тепловых системах и в качестве рабочих жидкостей в циклах, подобных ORC. Аналогичным образом, наножидкости - базовые жидкости с взвешенными наночастицами для повышения теплопроводности - могут улучшить теплообмен в испарителях и конденсаторах, уменьшая размер компонентов и стоимость.

Цифровые двойники — виртуальные копии физических термодинамических циклов, которые включают данные датчиков в реальном времени — позволяют прогнозировать техническое обслуживание и динамическую оптимизацию, которые ранее были невозможны. Благодаря непрерывной корректировке рабочих параметров на основе показаний датчиков цифровой двойник может поддерживать цикл на оптимальном уровне эффективности даже при изменении компонентов или условий окружающей среды. Алгоритмы машинного обучения могут идентифицировать закономерности в загрязнении теплообменника, износе компрессора или коррозии, прежде чем они вызовут сбой, сокращение простоев и продление срока службы установки. Несколько проектов Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии разрабатывают цифровые платформы двойников специально для продвинутых циклов питания.

Передовые технологии производства, включая 3D-печать металлических компонентов, открывают новые степени свободы в конструкции цикла. Турбинные лопасти с внутренними охлаждающими каналами, которые следуют точной форме нагрузки, теплообменники с решетчатыми структурами, которые оптимизируют теплообмен и прочность конструкции, и компактные рекуператоры с фрактальными сетями каналов, все практично с аддитивным производством. Эти сложные геометрии были бы невозможны или чрезмерно дороги с обычной обработкой, но предлагают значительные улучшения в эффективности и компактности. По мере снижения затрат на аддитивное производство целые силовые блоки могут быть изготовлены как единичные печатные сборки, сокращая время сборки и пути утечки.

Долгосрочное видение термодинамических циклов с нулевым уровнем выбросов в будущих городах - это "энергетический интернет" - сеть распределенной генерации, хранения и нагрузки, управляемая интеллектуальным программным обеспечением. В этом видении каждое здание с солнечной тепловой системой на крыше вносит тепло в районную сеть, каждый завод с рекуперацией отработанного тепла подает в систему ORC городского масштаба, и охлаждающая нагрузка каждого центра обработки данных интегрирована с термодинамическими циклами, которые отбрасывают тепло для абсорбционных охладителей. Термодинамика обеспечивает универсальный язык для моделирования и оптимизации этой сети, гарантируя, что каждый джоул тепла будет использоваться продуктивно, а не тратиться. Городские планировщики, которые понимают эти принципы, будут проектировать города, которые не только менее вредны для окружающей среды, но активно регенеративны - производят чистую энергию, минимизируют отходы и улучшают качество жизни для своих жителей.

Заключение

Термодинамика остается незаменимой научной основой для разработки энергетических циклов с нулевым уровнем выбросов, которые требуются будущим городам для достижения климатических целей и обеспечения энергетической безопасности. От фундаментальных ограничений, установленных вторым законом, до практических вариантов конфигурации рабочей жидкости и цикла, термодинамические принципы направляют инженеров к проектам, которые максимизируют эффективность, минимизируют выбросы и снижают стоимость. Органический цикл Ранкина, сверхкритический цикл CO2 и комбинированные / гибридные архитектуры каждый предлагают различные преимущества для конкретных источников тепла и городских условий, в то время как продолжающиеся достижения в области материаловедения, цифрового управления и аддитивного производства продолжают расширять границы производительности. Городские политики, инженеры по планированию коммунальных услуг и лидеры отрасли должны инвестировать в термодинамические исследования и развитие рабочей силы, чтобы гарантировать, что эти технологии готовы к развертыванию, когда это необходимо. Путь к устойчивым городам с нулевым уровнем выбросов проходит через термодинамический цикл - факт, который будет оставаться верным, пока тепло и работа имеют центральное значение для преобразования энергии.