Океан как источник энергии
Океаны покрывают более 70% поверхности Земли и являются самыми большими в мире коллекторами солнечной энергии. Потенциал океанов в энергетике велик. Для сравнения, плотность энергии солнечной радиации – 1400 Вт/м², энергии ветра – 1700 Вт/м², а тепловой энергии океанов тропических широт – 300 000 Вт/м²!
Тепловые станции в тропиках
Имеются и другие океанические возобновляемые источники энергии: биомасса и водород, волны и течения, разность в солености морской и речной воды – однако потенциал применения тепловой энергия океанов наиболее велик.
Но, «к сожалению, пока утилизация тепловой энергии окружающей среды находится только на уровне энергосбережения, например, в виде использования кондиционеров, – считает Станислав Понятовский, автор ряда российских патентов по освоению энергии океана. – Как нетрудно заметить, стены домов уже обвешиваются теплообменниками. Следующий шаг – за производством электроэнергии. Оборудование и для энергосбережения, и для производства электричества имеет аналогичные узлы, и его можно устанавлваить практически по одной и той же схеме. Но вырабатывать электроэнергию можно только в «морских» условиях, поскольку для ее выработки из первичного источника (имеющего характерный для окружающей среды градиент температуры) требуются большие тепловые потоки.
В отличие от других возобновляемых источников, тепловая энергии океана по своему энергетическому потенциалу сопоставима с безграничными возможностями поставок первичной тепловой энергии, ожидаемых от термоядерного синтеза. Энергетические объекты мощностью в 1 ГВт могут представлять собой мобильные установки водоизмещением около 100 000 т. В тропической части океанов возможна работа десятков тысяч таких тепловых электростанций практически в непрерывном режиме».
Сергей Хайтун, кандидат физико-математических наук, в.н.с. Института истории естествознания и техники РАН (ИИЕТ РАН), на вопрос о том, как наука смотрит на процесс утилизации тепловой энергии океана, отвечает, что наука свое мнение высказала 150 лет назад в работах французского ученого Д´Арсонваля, и дело теперь за техническим воплощением и поиском оптимальных схем, способных обеспечить максимальную эффективность. Д´Арсонваль еще в 1881 г. впервые высказал идею об использовании солнечной энергии, накопленной в океане в виде тепла. Более чем через 40 лет его ученик, Жорж Клод, наконец воплотил идею в жизнь и построил на Кубе небольшую систему утилизации термальной энергии океана. Ученый выбрал бухту Матанца, в которой большие глубины с высоким перепадом температуры воды подходят к самому берегу. Схема установки проста: в испарителе с частичным вакуумированием испаряется теплая вода с поверхности моря (температура порядка +27°C). Полученный пар вращает лопасти турбин, которые соединены с генераторами. Отработанный пар попадает в конденсатор, для охлаждения которого подается вода с глубины (температура порядка +4°C). Первая экспериментальная установка мощностью 22 кВт потребляла 80 кВт на работу своих насосов.
OTEC на Гавайях (источник: clubdesargonautes.org)
В 1970-е гг. ряд стран приступил к проектированию и строительству опытных океанических тепловых электростанций (ОТЭС) закрытого цикла. В таких ОТЭС есть принципиальное отличие от установок открытого цикла Жоржа Клода – в них используются жидкости с низкими температурами кипения, например, пропан, фреон или аммиак. В такой системе с помощью теплых поверхностных вод, прокачиваемых насосом через теплообменник испарителя, рабочее тело превращают в пар повышенного давления, давая ему возможность расшириться через турбину в холодильник, где пар конденсируется при контакте со стенками, охлаждаемыми водой, закачиваемой из глубинных слоев океана.
Холодная вода в океане находится на глубине около 600 м. Со времен Ж. Клода принято тепловую машину располагать на поверхности океана, а холодную воду поднимать по трубе на поверхность. Но на такой подъем воды требуется большой расход энергии.
«Новые технические решения, сформулированные в российских патентах, предполагают использовать мобильные теплообменные элементы, способные работать на различных глубинах, что значительно снизит технологические затраты энергии на собственные нужды, а также обеспечит возможность ремонта и борьбы с обрастанием оборудования морскими организмами, – считает Станислав Понятовский. – Все это позволит выйти на новый качественный уровень утилизации тепловой энергии океана. Основное отличие предлагаемой схемы заключается в глубинном расположении конденсатора – это исключает подъем воды с большой глубины и устраняет ряд существенных недостатков, присущих схеме Жоржа Клода».
Для эффективной работы ОТЭС необходим значительный перепад температур (выше 22°С для большинства схем). Энергия воды, которую можно использовать при разности температуры между верхним и глубинным слоем воды при 24°С, составляет около 10^8 Вт/м³. Такой перепад температуры обеспечен между тропиком Рака и тропиком Козерога, где поверхность воды нагревается до 27°C, а на глубине в 600 м температура падает до 2-3,5°С. В Карибском море, где тропические воды встречаются с арктическим потоком, разница температур на поверхности и на глубине 450-600 м достигает 22°С. Поэтому ОТЭС в основном можно располагать в экваториальных широтах с максимальным прогревом воды.
Стенд для испытаний универсального теплообменного элемента широкого применения (фото С. Понятовского)
«Новая схема обработки тепловой энергии с глубоким погружением конденсатора не требует предварительной работы насосов для подачи холодной воды, и станция включаются автоматически по мере выхода на температурный режим, – продолжает Станислав Понятовский. – Имея значительную экономию энергии на технологические нужды, такие ОТЭС способны работать на всей тропической акватории Мирового океана и даже вдоль еще не остывших рукавов теплых течений, идущих к полюсам. Справедливо отметить, что в полной мере необходимый тепловой поток для промышленного производства электроэнергии на тепловых гидроэлектростанциях способен обеспечить только Тропический океан, способный поставлять огромные количества теплой и холодной воды с достаточно высоким градиентом температуры и естественным расположением соответствующих слоев на сравнительно малом удалении их друг от друга. К сожалению, даже близкое нам Черное море хотя и теплое, но необходимого градиента температуры для эффективной работы тепловой гидроэлектростанции, особенно в осеннее-зимний период, не обеспечит».
К слову, недавнее открытие гидротермальных источников на дне Тихого океана рождают привлекательную идею создания подводных ОТЭС, работающих на разности температур источников и окружающей воды.
Размещаться ОТЭС могут на берегу или в океане (на якорных системах или в свободном дрейфе).
Первая успешная мини-OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) закрытой циркуляции была запущена в 1979 г. в Keahole Point (Гавайи). Круглосуточно с августа по октябрь установка производила около 50 кВт, из которых только 12 кВт использовались на полезную нагрузку. В течение нескольких последующих лет испытывались усовершенствованные установки.
Первый японский опытный образец, запущенный на острове Науру в 1981 г., выдавал мощность 100 кВт, хотя полезной мощности было всего 14,9 кВт. Его главным отличием от американского конкурента было расположение станции на острове. Локация не на плавучем основании, а на суше позволила сократить расходы на эксплуатацию судна-носителя, устройство надежных якорных стоянок, подводный силовой кабель для передачи электроэнергии на берег, а, главное, обеспечить большую безопасность обслуживающего персонала.
В 1992 г. на Гавайях был запущен экспериментальный аппарат открытого цикла производительностью в среднем 210 кВт, который проработал до 1998 г.
Сейчас разработки новой ОТЭС при финансовой поддержке правительства США ($600 тыс.) ведет компания Lockheed Martin. Завод по преобразованию тепловой энергии океана в электрическую, производительность которого составит 10 МВт, должен появиться на Гавайях в 2012-2013 гг.
Остров Реюньон (Франция) был объявлен президентом Николя Саркози в январе этого года национальной лабораторией для создания океанической тепловой электростанции. В перспективе, к 2030 г. построенные здесь ОТЭС должны полностью обеспечить потребности в электроэнергии всего острова. Бюджет проекта составляет € 7,7 млн.
Сегодня освоение тепловой энергии океана входит в национальные программы США, Франции, Японии, Швеции, Индии.
Российские станции в Арктике
Энергию можно получать не только из теплых вод тропических или субтропических районов Мирового океана, но и из северных или южных бассейнов планеты, то есть из вод Арктики и Антарктики. Возможность практической реализации преобразования тепловой энергии океана в арктических районах в своих работах показал в 1980-х гг. Альберт Ильин, руководитель лаборатории энергетики океана Тихоокеанского океанологического института. Автор отмечает не только важность наличия нужного градиента температуры, но также и необходимость достаточной скорости ветра и скорости течения воды в океане. По расчетам А. Ильина, КПД энергетической установки мощностью около 50 кВт в арктических условиях получается в пределах 0,79-2,08%. Речь идет о КПД использования тепла воды, что же касается КПД самой установки, то он достаточно высок и достигает 43%. Эта цифра относится к аммиачной установке мощностью 1 МВт.
Мини-OTEC в Keahole Point (фото Natural Energy Laboratory of Hawaii)
На возможность использования энергетического потенциала северных широт первым обратил внимание в 1928 г. французский инженер А. Баржо. В качестве нагревателя им предлагалась морская вода с температурой, близкой к 0°С. Холодильником должен был служить морозный воздух. В качестве вторичного рабочего тела было предложено взять такое вещество, которое кипело бы при температуре несколько ниже 0°С и конденсировалось бы в жидкость при температуре минус 20°С. Баржо рекомендовал углеводородные соединения типа пропана, бутана или изобутана.
Действительно, в Северном Ледовитом океане температура в поверхностном слое подо льдом близка к 0°С. Интересно отметить, что градиент температур арктических вод крайне мал – так, на нескольких сотнях метров глубины температура воды доходит примерно до +0,6°С. Там находится теплый промежуточный слой, образовавшийся за счет притока вод атлантического происхождения. Во многих районах Арктики большую часть года температура воздуха ниже -10°С. Например, на Новосибирских островах в году бывает всего 2-4 дня с тем температурой воздуха выше -10°С, на побережье моря Лаптевых таких дней от 10 до 14, а на архипелаге Северная Земля их только 10-12. В остальное время года здесь царствуют морозы. Таким образом, разность температур подледной воды и воздуха составляет в арктических районах более 26°С и может быть использована для генерации электричества. Расчеты ученых показывают, что при таком перепаде каждый 1 м³ морской воды, будучи пропущен за 1 с через преобразователь, позволяет получить около 10 кВт мощности при КПД установки 5%.
Арктические станции работают по так называемому «треугольному» циклу: нагрев и испарение рабочего тела, адиабатное расширение через турбину, изотермическое сжатие при подаче в испаритель с одновременным отводом избыточного тепла в холодильнике. В охлаждающем контуре такой станции необходимо использовать рассол с низкой температурой замерзания. В качестве промежуточного теплоносителя применяется водный раствор хлористого кальция с концентрацией не менее 26 кг на 100 кг воды, который достаточно широко используется в холодильной технике. Промежуточный теплоноситель охлаждается путем разбрызгивания через форсунки оросительного охладителя. Рабочим телом в основном контуре станции служит фреон-12, пары которого приводят в движение турбину с электрогенератором.
Осмотические станции в устьях рек
В ноябре 2009 г. компания Statkraft, крупнейший производитель электроэнергии Норвегии, недалеко от Осло (г. Тофте) построила и запустила первую в мире электростанцию, основанную на осмотическом давлении. Построенная электростанция производит 2-4 кВт электроэнергии – ее эффективность пока составляет 1 Вт с 1 кв. м мембраны, и основное ее назначение – отработка технологии и повышение эффективности до 5 Вт/кв. м мембраны.
«Специалисты Statkraft потратили много сил на разработку этой технологии. Наша ближайшая цель – на прототипной станции протестировать новую мембрану и повысить ее эффективность. Прототип будет работать 2-3 года, на следующей стадии мы запустим пилотную станцию на 1-2 МВт – прежде, чем построим полноценный завод. Самые амбициозные наши цели – построить полномасштабную осмотическую станцию в 2015 г.», – рассказал EnergyLand.info Аслак Оверас (Aslak Overas), представитель компании.
Здесь можно получать не только газ (фото Александра Куцкого)
На свою разработку инженеры компании потратили около 10 лет, строительство опытной электростанции заняло чуть более года. Идея использования мембраны для дистилляции воды путем осмоса и дальнейшей генерации энергии была предложена в 1970-х гг. американским профессором Сидни Лоэбом. Изучением осмотической мощности занялись доктор Тор Торсен и доктор Торлиф Холт из независимой исследовательской организации SINTEF, которые в 1996 г. передали компании Statkraft свои наработки.
Пресная и соленая вода разделены полупроницаемой мембраной, пропускающей только пресную воду и препятствующая прохождению соленой воды. Общая площадь мембраны осмотической станции в Тофте 2000 м². Явление осмоса вынуждает пресную воду перетекать в часть с соленой водой. При этом в части камеры с морской водой возникает избыточное давление (осмотическое давление), которого достаточно для приведения в действие гидротурбины, вращающей электрогенератор, который вырабатывает электричество. На станции Statkraft достигнуто избыточное давление в 12 бар, что эквивалентно 120 м водного столба.
Осмотические электростанции наиболее актуальны в устьях больших рек, а около них, как правило, располагаются крупные города. Специалисты Statkraft считают подобные станции наиболее перспективными для северных стран, таких как Россия, Канада и государства Скандинавии, при этом не стоит исключать самые южные части Африки и Америки.
Однако не все эксперты разделяют оптимизм норвежских инженеров: «Энергетический потенциал разности солености воды составляет 2 кДж/кг. Примерно того же порядка и энергетический потенциал разности температуры воды (энергетический потенциал углеводородного топлива около 40000 кДж/кг). Оба случая требуют огромных расходов энергоносителя (воды). В случае тепловой энергии вопрос с объемами воды не стоит, поскольку имеется целый океан теплой воды с мощной холодной подложкой. В случае солености возникнут проблемы с энергоносителем, поскольку станции можно строить только в устьях рек. Помимо этого, пресная вода – ценное сырье для жизнедеятельности и уже в дефиците. Практическое отсутствие энергоносителя для создания большого количества мощных энергетических станций лишает идею использовать разность солености воды перспективы позволяющей решить основную проблему недалекого будущего по замене углеводородов», – полагает Станислав Понятовский.
Первая в мире осмотическая электростанция (фото Statkraft)
Глобальный потенциал «осмотической энергии» компания оценивает примерно в 1600-1700 ТВт•ч в год, что эквивалентно половине производимой в Европейском союзе электроэнергии.
Экология
Электростанции, использующие ресурсы океана, на первый взгляд кажутся весьма экологичными. Но за потреблением океанической энергии кроется несколько опасных моментов.
С одной стороны, работа станций сопровождается охлаждением поверхности океана, что на фоне глобального потепления имеет явно положительную тенденцию. «Если рассматривать влияние перемещения больших объемов тепловой энергии с верхнего слоя на глубину порядка 600 м, то можно предположить, что охлаждение поверхности океана в тропиках на 1-4 градуса скорей всего положительно скажется на климате и будет способствовать борьбе с ураганами, – считает Станислав Понятовский. – При сопутствующем сбросе тепловой энергии в нижний слой она бесследно растворится в многокилометровом бассейне холодной воды без каких либо последствий».
С другой стороны, встает вопрос: сколько можно взять энергии из океана без вреда для окружающей среды? Ответили на него профессора Виктор Акуличев, директор Тихоокеанского океанологического института (г. Владивосток), и его коллега Альберт Ильин. В качестве критерия они приняли допустимое понижение температуры поверхности океана на 0,5К (такая цифра близка к естественным флуктуациям средней температуры). Тогда максимально допустимая мощность, которую можно снять в тропической зоне мирового океана, составит 11 млрд. кВт. При непрерывной работе тепловых преобразователей за год такой мощностью будет выработано 0,96-105 млрд. кВт•ч, что составляет примерно треть от потребления энергии, прогнозируемого на 2020 г.
Негативные экологические последствия работы тепловых станций по схеме с подъемом воды заключаются в выделении в атмосферу растворенных газов. Глубинные холодные воды содержат внушительное количество углекислого газа, который выделяется при подъеме глубинных вод на поверхность из-за снижения давления и повышения температуры.
Загрязнение окружающей среды может произойти и в случае утечки рабочих жидкостей, т.е. аммиака, фреона или ядовитых веществ, необходимых для промывки теплообменников – например, хлора.
Считая от поверхности, температура воды с увеличением глубины слабо меняется до определенного уровня. На некоторой глубине температура резко уменьшается – это начало так называемого слоя скачка. Одновременно со скачком температуры наблюдается и скачок плотности морской воды. Благодаря высокому градиенту плотности слой скачка выполняет своеобразную роль «жидкого грунта», играя исключительную роль в физике и биологии океана. Без затраты мускульной энергии многочисленные обитатели океана могут долго оставаться в слое скачка во взвешенном состоянии. Важно, чтобы мощные водяные потоки ОТЭС не разрушили слой скачка. Возможно, для этого придется далеко разносить места сброса отработанных вод и забора теплой воды.
Однако время углеводородной энергетики проходит, и будущее за альтернативными источниками, возобновляемыми и более экологичными. Энергетические объекты в многочисленных вариантах исполнения уже воплощаются в жизнь на огромной акватории океана.
Ирина Рахмеева, EnergyLand.info
Иллюстрация в начале статьи: проект датского архитектора Винсента Каллебота (Vincent Callebaut) «Город в океане» (рис. Philippe Steels/pixelab)