Океани покривають більше 70% поверхні Землі і є найбільшими в світі колекторами сонячної енергії. Потенціал океанів в енергетиці великий. Для порівняння, щільність енергії сонячної радіації - 1400 Вт / м², енергії вітру - 1700 Вт / м², а теплової енергії океанів тропічних широт - 300 000 Вт / м²!
Теплові станції в тропіках
Є й інші океанічні поновлювані джерела енергії: біомаса і водень, хвилі і течії, різниця в солоності морської і річкової води - однак потенціал застосування теплової енергія океанів найбільш великий.
На відміну від інших поновлюваних джерел, теплова енергії океану за своїм енергетичному потенціалу порівнянна з безмежними можливостями поставок первинної теплової енергії, очікуваних від термоядерного синтезу. Енергетичні об'єкти потужністю в 1 ГВт можуть являти собою мобільні установки водотоннажністю близько 100 000 т. У тропічній частині океанів можлива робота десятків тисяч таких теплових електростанцій практично в безперервному режимі ».
Сергій Хайтун, кандидат фізико-математичних наук, в.н.с. Інституту історії природознавства і техніки РАН (ІІЕТ РАН), на питання про те, як наука дивиться на процес утилізації теплової енергії океану, відповідає, що наука свою думку висловила 150 років тому в роботах французького вченого Арсонваля, і справа тепер за технічним втіленням і пошуком оптимальних схем, здатних забезпечити максимальну ефективність. Д'Арсонваля ще в 1881 р вперше висловив ідею про використання сонячної енергії, накопиченої в океані у вигляді тепла. Більш ніж через 40 років його учень, Жорж Клод, нарешті втілив ідею в життя і побудував на Кубі невелику систему утилізації термальною енергії океану. Вчений вибрав бухту Матанцев, в якій великі глибини з високим перепадом температури води підходять до самого берега. Схема установки проста: в випарнику з частковим вакуумированием випаровується тепла вода з поверхні моря (температура близько + 27 ° C). Отриманий пар обертає лопаті турбін, які з'єднані з генераторами. Відпрацьований пар потрапляє в конденсатор, для охолодження якого подається вода з глибини (температура близько + 4 ° C). Перша експериментальна установка потужністю 22 кВт споживала 80 кВт на роботу своїх насосів.
OTEC на Гаваях (джерело: clubdesargonautes.org)
У 1970-ті рр. ряд країн приступив до проектування і будівництва досвідчених океанічних теплових електростанцій (ОТЕС) закритого циклу. У таких ОТЕС є принципова відмінність від установок відкритого циклу Жоржа Клода - в них використовуються рідини з низькими температурами кипіння, наприклад, пропан, фреон або аміак. У такій системі за допомогою теплих поверхневих вод, прокачувати насосом через теплообмінник випарника, робоче тіло перетворюють на пару підвищеного тиску, даючи йому можливість розширитися через турбіну в холодильник, де пара конденсується при контакті зі стінками, охолоджуваними водою, закачиваемой з глибинних шарів океану.
Холодна вода в океані знаходиться на глибині близько 600 м. З часів Ж. Клода прийнято теплову машину розташовувати на поверхні океану, а холодну воду піднімати по трубі на поверхню. Але на такий підйом води потрібна велика витрата енергії.
«Нові технічні рішення, сформульовані в українських патентах, припускають використовувати мобільні теплообмінні елементи, здатні працювати на різних глибинах, що значно знизить технологічні витрати енергії на власні потреби, а також забезпечить можливість ремонту і боротьби з обростання обладнання морськими організмами, - вважає Станіслав Понятовський. - Все це дозволить вийти на новий якісний рівень утилізації теплової енергії океану. Основна відмінність пропонованої схеми полягає в глибинному розташуванні конденсатора - це виключає підйом води з великої глибини і усуває ряд істотних недоліків, властивих схемою Жоржа Клода ».
Для ефективної роботи ОТЕС необхідний значний перепад температур (вище 22 ° С для більшості схем). Енергія води, яку можна використовувати при різниці температури між верхнім і глибинним шаром води при 24 ° С, становить близько 10 ^ 8 Вт / м³. Такий перепад температури забезпечений між тропіком Рака і тропіком Козерога, де поверхня води нагрівається до 27 ° C, а на глибині в 600 м температура падає до 2-3,5 ° С. У Карибському морі, де тропічні води зустрічаються з арктичним потоком, різниця температур на поверхні і на глибині 450-600 м досягає 22 ° С. Тому ОТЕС в основному можна розташовувати в екваторіальних широтах з максимальним прогрівом води.
Стенд для випробувань універсального теплообмінного елемента широкого застосування (фото С. Понятовського)
«Нова схема обробки теплової енергії з глибоким зануренням конденсатора не вимагає попередньої роботи насосів для подачі холодної води, і станція включаються автоматично в міру виходу на температурний режим, - продовжує Станіслав Понятовський. - Маючи значну економію енергії на технологічні потреби, такі ОТЕС здатні працювати на всій тропічній акваторії Світового океану і навіть уздовж ще не охололи рукавів теплих течій, що йдуть до полюсів. Справедливо зазначити, що в повній мірі необхідний тепловий потік для промислового виробництва електроенергії на теплових гідроелектростанціях здатний забезпечити тільки Тропічний океан, здатний поставляти велику кількість теплої і холодної води з досить високим градієнтом температури і природним розташуванням відповідних верств на порівняно малій відстані їх один від одного. На жаль, навіть близьке нам Чорне море хоча і тепле, але необхідного градієнта температури для ефективної роботи теплової гідроелектростанції, особливо в осінньо-зимовий період, не забезпечить ».
До слова, нещодавнє відкриття гідротермальних джерел на дні Тихого океану народжують привабливу ідею створення підводних ОТЕС, що працюють на різниці температур джерел і навколишнього води.
Розміщуватися ОТЕС можуть на березі або в океані (на якірних системах або у вільному дрейфі).
Перший японський дослідний зразок, запущений на острові Науру в 1981 р видавав потужність 100 кВт, хоча корисної потужності було всього 14,9 кВт. Його головною відмінністю від американського конкурента було розташування станції на острові. Локація нема на плавучому підставі, а на суші дозволила скоротити витрати на експлуатацію судна-носія, пристрій надійних якірних стоянок, підводний силовий кабель для передачі електроенергії на берег, а, головне, забезпечити більшу безпеку обслуговуючого персоналу.
Сьогодні освоєння теплової енергії океану входить в національні програми США, Франції, Японії, Швеції, Індії.
Міні-OTEC в Keahole Point (фото Natural Energy Laboratory of Hawaii)
На можливість використання енергетичного потенціалу північних широт першим звернув увагу в 1928 р французький інженер А. баржі. В якості нагрівача їм пропонувалася морська вода з температурою, близькою до 0 ° С. Холодильником повинен був служити морозне повітря. В якості вторинного робочого тіла було запропоновано взяти таку речовину, яке кипіло б при температурі трохи нижче 0 ° С і конденсувалося б в рідину при температурі мінус 20 ° С. Баржо рекомендував вуглеводневі сполуки типу пропану, бутану або ізобутану.
Дійсно, в Північному Льодовитому океані температура в поверхневому шарі під льодом близька до 0 ° С. Цікаво відзначити, що градієнт температур арктичних вод вкрай малий - так, на кількох сотнях метрів глибини температура води доходить приблизно до + 0,6 ° С. Там знаходиться теплий проміжний шар, що утворився за рахунок припливу вод атлантичного походження. У багатьох районах Арктики більшу частину року температура повітря нижче -10 ° С. Наприклад, на Одессаіх островах в році буває всього 2-4 дня з тим температурою повітря вище -10 ° С, на узбережжі моря Лаптєвих таких днів від 10 до 14, а на архіпелазі Північна Земля їх тільки 10-12. В інші пори року тут панують морози. Таким чином, різниця температур підлідної води і повітря становить в арктичних районах понад 26 ° С і може бути використана для генерації електрики. Розрахунки вчених показують, що при такому перепаді кожен 1 м³ морської води, будучи пропущений за 1 с через перетворювач, дозволяє отримати близько 10 кВт потужності при ККД установки 5%.
Арктичні станції працюють по так званому «трикутному» циклу: нагрівання і випаровування робочого тіла, адіабатне розширення через турбіну, ізотермічний стиск при подачі в випарник з одночасним відведенням надлишкового тепла в холодильнику. У охолодному контурі такої станції необхідно використовувати розсіл з низькою температурою замерзання. Як проміжний теплоносій застосовується водний розчин хлористого кальцію з концентрацією не менше 26 кг на 100 кг води, який досить широко використовується в холодильній техніці. Проміжний теплоносій охолоджується шляхом розбризкування через форсунки зрошувального охолоджувача. Робочим тілом в основному контурі станції служить фреон-12, пари якого надають руху турбіну з електрогенератором.
Осмотические станції в гирлах річок
Тут можна отримувати не тільки газ (фото Олександра Куцького)
Осмотические електростанції найбільш актуальні в гирлах великих річок, а біля них, як правило, розташовуються великі міста. Фахівці Statkraft вважають подібні станції найбільш перспективними для північних країн, таких як Україна, Канада і держави Скандинавії, при цьому не варто виключати самі південні частини Африки і Америки.
Однак не всі експерти поділяють оптимізм норвезьких інженерів: «Енергетичний потенціал різниці солоності води становить 2 кДж / кг. Приблизно такого ж порядку і енергетичний потенціал різниці температури води (енергетичний потенціал вуглеводневого палива близько 40000 кДж / кг). Обидва випадки вимагають величезних витрат енергоносія (води). У разі теплової енергії питання з обсягами води не варто, оскільки є цілий океан теплої води з потужною холодної підкладкою. У разі солоності виникнуть проблеми з енергоносієм, оскільки станції можна будувати тільки в гирлах річок. Крім цього, прісна вода - цінна сировина для життєдіяльності і вже в дефіциті. Практична відсутність енергоносія для створення великої кількості потужних енергетичних станцій позбавляє ідею використовувати різницю солоності води перспективи дозволяє вирішити основну проблему недалекого майбутнього по заміні вуглеводнів », - вважає Станіслав Понятовський.
Перша в світі осмотична електростанція (фото Statkraft)
Глобальний потенціал «осмотической енергії» компанія оцінює приблизно в 1600-1700 ТВт • год на рік, що еквівалентно половині виробленої в Європейському союзі електроенергії.
Електростанції, що використовують ресурси океану, на перший погляд здаються дуже екологічними. Але за споживанням океанічної енергії криється кілька небезпечних моментів.
З одного боку, робота станцій супроводжується охолодженням поверхні океану, що на тлі глобального потепління має явно позитивну тенденцію. «Якщо розглядати вплив переміщення великих обсягів теплової енергії з верхнього шару на глибину близько 600 м, то можна припустити, що охолодження поверхні океану в тропіках на 1-4 градуси скоріше за все позитивно позначиться на кліматі і сприятиме боротьбі з ураганами, - вважає Станіслав Понятовський . - При супутньому скиданні теплової енергії в нижній шар вона безслідно розчиниться в багатокілометровому басейні холодної води без будь-яких наслідків ».
Негативні екологічні наслідки роботи теплових станцій за схемою з підйомом води полягають у виділенні в атмосферу розчинених газів. Глибинні холодні води містять значну кількість вуглекислого газу, який виділяється при підйомі глибинних вод на поверхню через зниження тиску і підвищення температури.
Забруднення навколишнього середовища може статися і в разі витоку робочих рідин, тобто аміаку, фреону або отруйних речовин, необхідних для промивання опалювальних систем - наприклад, хлору.
Вважаючи від поверхні, температура води зі збільшенням глибини слабо змінюється до певного рівня. На деякій глибині температура різко зменшується - це початок так званого шару стрибка. Одночасно зі стрибком температури спостерігається і стрибок щільності морської води. Завдяки високому градієнту щільності термоклин виконує своєрідну роль «рідкого грунту», граючи виняткову роль у фізиці і біології океану. Без витрати мускульної енергії численні мешканці океану можуть довго залишатися в шарі стрибка в підвішеному стані. Важливо, щоб потужні водяні потоки ОТЕС не зруйнували шар стрибка. Можливо, для цього доведеться далеко розносити місця скидання відпрацьованих вод і забору теплої води.
Однак час вуглеводневої енергетики проходить, і майбутнє за альтернативними джерелами, поновлюваними і більш екологічними. Енергетичні об'єкти в численних варіантах виконання вже втілюються в життя на величезній акваторії океану.
Ірина Рахмеева, EnergyLand.info
Ілюстрація на початку статті: проект данського архітектора Вінсента Каллебота (Vincent Callebaut) «Місто в океані» (рис. Philippe Steels / pixelab)