9.6.4. Использование тепловой энергии океана

Мировой океан является громадным естественным аккумулятором солнечной энергии. В среднем за один день 60 млн км² тропических морей и океанов поглощают количество солнечного излучения, эквивалентное энергии, которую можно получить из 40*10⁹ м³ нефти. Если хотя бы одна десятая доля от 1 % этой солнечной энергии могла быть преобразована в электрическую энергию, то это дало бы количество электричества, в 20 раз превышающее потребление США в течение одних суток.

Впервые использовать теплоту морей и океанов для получения электричества предложил в 1881 г. французский физик Жак Арсан де Арсонвал.

В 1974 г. в Кеахол Поинте, на побережье Кона на Гавайях была построена природная лаборатория энергии NELHA, ставшая в дальнейшем передовым мировым центром для развития технологий использования тепловой энергии океана.

1981 г. Япония создала береговую станцию закрытого типа на 100 кВт в Республике Науру в Тихом океане. Труба для холодной воды была проложена по морскому дну на глубине 580 м, рабочей жидкостью служил фреон, теплообменник был сделан из титана.

В 1992 – 1988 гг. в Кеахол Поинте действовала ОТЭС открытого типа на 210 кВт. При проектировании станции были использованы последние достижения техники. Турбогенератор был рассчитан на мощность в 210 кВт при использовании теплой поверхности воды в 26 ^оС и глубоководной с температурой до 6 ^оС. Небольшой объем (10 %) отработанного пара использовался для опреснения воды. Наилучшие показатели производства энергии достигали 255 кВт (общей) при 103 кВт чистой энергии, при этом производилось до шести галлонов пресной воды в минуту. Эти показатели до сих пор остаются рекордами для морской тепловой энергетики.

В настоящее время продолжаются исследования систем как открытого, так и закрытого типа. Ученые во всем мире развивают новые, более рентабельные, современные технологии.

Основными лидерами на мировом рынке ОТЭС сегодня признаны Гавайи и Япония, где эксперименты проводятся в наибольших масштабах.

Наиболее целесообразно располагать ОТЭС на участках со стабильным природными условиями, обеспечивающими различие на 20 ^оС температур теплой поверхности воды и холодной, находящейся на глубине не более 1 км.

В мире естественная океанская разница температур, необходимая для нормальной работы ОТЭС, находится примерно между 20^о северной и 20^о южной широты. В пределах этой тропической зоны расположены границы двух индустриальных держав–США и Австралии, а также территории 66 развивающихся стран.

Тропические острова с нарастающими потребностями в энергии и увеличивающейся зависимостью от дорогой импортной нефти являются наиболее вероятными областями для развития океанской тепловой энергетики.

Большой потенциал океанской тепловой энергии целесообразно использовать для получения энергоемких веществ: водорода, аммиака и этанола. При этом достигается максимальный экономический и экологический эффект.

Промышленное освоение ОТЭС открытого типа, вероятно, начнется с Тихоокеанских островов. Это связано с высокой стоимостью привозимой нефти, нехваткой пресной воды и внедряемыми социальными программами, направленными на развитие чистых энергетических технологий.

В современных условиях использование энергии ОТЭС может быть оправдано только при комплексном применении всех выгод данной технологии: одновременном получении энергии и пресной воды, использовании холодной воды глубинных слоев для кондиционирования воздуха, в сельском хозяйстве и при разведении рыбы. Данное направление альтернативной энергетики еще требует активной проработки, направленной на удешевление конструкций, повышение надежности станций и удобство в обслуживании.

Однако стремительное удорожание традиционных видов топлива ведет к ускоренному освоению альтернативных источников энергии. Поэтому даже технологии возобновляемой энергетики, кажущиеся в настоящее время далекими от реального рынка и «наполовину фантастическими», к которым можно отнести ОТЭС, в недалеком будущем могут стать экономически выгодными. И тут выигрыш будет за теми, кто успел первыми занять соответствующие ниши.

Физические основы работы океанских тепловых электростанций (ОТЭС)

Во многих областях нашей планеты разницы температур верхних нагретых и глубинных холодных слоев воды составляет порядка 20 ^оС, что дает возможность для создания достаточно эффективной океанской тепловой электростанции.

Для преобразования теплоты океана в электричество используют системы различных типов:

• закрытые;

• открытые;

• смешанные.

Рис. 9.20. Технологическая схема работы океанической электростанции: 1 – генератор;

2 – турбина; 3  теплообменник; 4  насос; 5  конденсатор

В системе закрытого цикла теплая вода верхних слоев океана спользуется

для испарения рабочей жидкости (фреон, пропан, аммиак), проходящей через теплообменник, точка кипения которой при атмосферном давлении не превышает 30 ^оС. Пар расширяется и вращает турбину, соединенную с генератором, производящим электричество. Отработанный пар после выхода из турбины охлаждается холодной водой, поступающей из глубинных слоев, конденсируется и вновь используется в цикле. Рабочая жидкость остается закрытой в системе и циркулирует непрерывно.

На рис. 9.20 показана работа так называемой закрытой системы. Насос обеспечивает циркуляцию аммиака, имеющего очень низкую температуру кипения, в замкнутом контуре.

Теплая океаническая вода нагревает аммиак (верхняя часть схемы), который переходит в газообразное состояние и в этом виде поступает на турбину, где он расширяется и приводит в действие генератор. С турбины аммиак выходит с пониженной температурой и при меньшем давлении и пропускается через теплообменник, использующий холодную воду; газ сжижается, и цикл повторяется. В открытой системе в качестве рабочего тела используется морская вода; ее температура кипения снижается в вакуумной камере, где поддерживается давление на уровне 3,5 % от атмосферного.

Рассмотрим идеальную ОТЭС закрытого типа, в которой тепловое

сопротивление в испарителе и конденсаторе равно нулю, и КПД

паросиловой установки равен КПД цикла Карно. Небольшая разность этих температур приводит к большим значениям расхода воды, размеров и стоимости теплообменников и мощности насосов, соизмеримой с мощностью ОТЭС. Так, например, при Р=1 МВт расход воды может достигать 650 т/ч.

В системе открытого цикла рабочей жидкостью становится сама теплая

морская вода, испаряемая в вакуумной камере для получения пара при абсолютном давлении около 2,4 кПа. Расширившийся пар вращает турбину низкого давления, которая соединена с генератором, производящим электричество. При выходе из турбины пар конденсируется под воздействием холодной воды из глубоких слоев океана. Полученная жидкость, потеряв при испарении соли, опресняется.

Если в системе применяется закрытый конденсатор, в котором сконденсированный пар не контактирует с холодной морской водой, полученную пресную воду можно использовать для питья, орошения или выращивания пресноводной рыбы.

При прямом контакте воды и паров в конденсаторе производительность электроэнергии выше. Однако в данном случае конденсат перемешивается с холодной морской водой и полученная на выходе жидкость становится соленой. Эта смесь возвращается обратно в океан.

В системе смешанного типа сочетаются особенности систем как открытого, так и закрытого типа для оптимизации получения электричества и пресной воды. В этом случае теплая морская вода поступает в вакуумную камеру, где преобразуется в пар (подобно открытому циклу), который, в свою очередь, используется для выпаривания рабочей жидкости (фреон, пропан, аммиак) на участке закрытого цикла системы. Испаренная рабочая жидкость вращает турбину, соединенную с электрическим генератором, а пар, сконденсированный вне теплообменника, обеспечивает поступление пресной воды.

Широкомасштабному промышленному развитию океанской тепловой энергетики способствует ряд преимуществ:

• ОТЭС используют чистый, неограниченный, возобновляемый природный ресурс. Теплота поверхности морей и холодная вода глубоководья заменяют традиционные ископаемые виды топлива, используемые для производства электричества;

• ОТЭС не воздействуют негативно на окружающую среду. Используемая в процессе работы станции вода возвращается в океан без каких-либо негативных последствий;

• ОТЭС способны наряду с электроэнергией производить пресную воду, что особенно важно для населения, живущего на островах, где ресурсы пресной воды ограничены;

• солнечной энергии, поступающей в верхние слои океана, более чем достаточно для обеспечения человечества чистой энергией в будущем;

• использование океанской энергии увеличивает независимость от импортируемых традиционных видов топлива, повышая тем самым энергетическую безопасность;

• холодная вода ОТЭС может использоваться для охлаждения и кондиционирования зданий, в сельском хозяйстве, для выращивания рыбы, моллюсков и водорослей.

• ОТЭС могут быть использованы для энергоемких производств водорода, метанола и аммиака.

Однако существуют и отрицательные факторы, которые необходимо учитывать и преодолевать, а именно:

• стоимость электроэнергии, производимой ОТЭС, выше традиционной;

• для нормальной работы ОТЭС необходимо наличие ряда природных условий: разность температур между теплым поверхностным и холодным глубоководным слоями воды должна составлять около 20 ^оС, причем экономический эффект достигается, когда расстояние от поверхности до глубины с необходимой низкой температурой не превышает 1 км;

• конструкции океанских станций и проложенные под водой трубы могут повреждаться из-за плохих погодных условий, прибоев, рифов. Для борьбы со штормами можно придать платформе нейтральную плавучесть и заякорить в подводном положении (рис. 9.21.);

• отсутствуют достаточно эффективные и экономически приемлемые средства борьбы с коррозией и биологическим обрастанием оборудования и трубопроводов;

• если в контуре, по которому циркулирует рабочая жидкость, возникает утечка, то она может нанести вред морской флоре и фауне.

Океанские тепловые электростанции по месту их расположения подразделяются на следующие типы:

• наземные или прибрежные (строятся на берегу или в прибрежной зоне);

• шельфовые (на платформах, базирующихся около шельфа);

• глубоководные (в пришвартованных или свободно плавающих на глубоководье средствах).

Рис. 9.21. Подводная платформа для ОТЭС: 1 – платформа; 2 – трубопровод;

3 – распорка; 4 – бридель; 5 – шарнир; 6 – трапеция; 7 – якорный трос; 8 – якорь

Наземные или прибрежные ОТЭС имеют ряд преимуществ перед глубоководными. Станции, построенные на земле или в прибрежной зоне, не требуют сложной швартовки, длинных силовых кабелей, а также просты в обслуживании (по сравнению с работой в открытом море). Они могут быть построены на защищенных от штормов участках, а электричество и пресную воду можно передавать через акведуки и эстакады. Прибрежное или наземное месторасположение минимизирует затраты на трубы, которые в данном случае намного короче. Свободный подход при строительстве также способствует снижению стоимости электричества, вырабатываемого такими ОТЭС.

Однако у них есть и ряд недостатков. Сильное волновое воздействие (особенно в шторм) в зоне прибоя может негативно влиять на конструкции, если трубы не погружены в защитные траншеи или не были предусмотрены волнорезы, смягчающие силовую нагрузку от волн. Также требуются дополнительные затраты на преодоление зачастую нескольких сотен метров от берега до необходимой глубины с соответствующей температурой холодной воды.

Шельфовые ОТЭС устанавливают на расстоянии до 100 м за бурной зоной прибоя для более близкого доступа к холодным слоям воды. Они могут строиться в верфях, затем их буксируют к предусмотренному участку и фиксируют якорем. Однако трудности в обслуживании таких ОТЭС на глубоководье, а также дополнительные затраты при передаче энергии и пресной воды снижают их конкурентоспособность, делая более затратными, чем наземные.

Глубоководные ОТЭС могут быть использованы для работы на большом расстоянии от берега. Однако у этих станций возникает ряд трудностей, связанных со строительством и обслуживанием, особенностями швартовки, проблемами передачи энергии, а также сложным обслуживанием в открытом океане. Так, швартовка ограничена глубинами порядка 2 км, но даже и на более мелких глубинах ее стоимость может воспрепятствовать коммерческому использованию станции.

Кабели, проложенные к платформам, более восприимчивы к повреждениям, особенно во время шторма. На глубинах более 1 км их трудно поддерживать в рабочем состоянии и восстанавливать.