Энергетические ресурсы океана
Тепловая энергия
В предыдущей главе были рассмотрены содержащиеся в океанах ресурсы традиционных источников энергии, хорошо изученных и освоенных на суше, — нефти, газа, угля.
Существующие способы получения механической и электрической энергии из этих источников основаны на сжигании последних в качестве топлив; способы эти имеют относительно низкий коэффициент полезного действия и сопровождаются большими потерями тепла. А такое тепловое «загрязнение» атмосферы может привести к потеплению климата и вызвать таяние ледников и глобальное наступление океана.
Однако океан располагает и другими видами энергии, практическое использование которых не имеет каких-либо вредных экологических последствий. Одним из таких видов энергии и является тепловая энергия океана.
Как уже указывалось, вода обладает довольно высокой теплоемкостью и способна аккумулировать солнечное тепло. Наиболее прогрет поверхностный слой океана, температура которого в тропических широтах превышает 25°С (см. рис. 3). С глубиной температура воды резко снижается и на глубине 600-800 м она уже не превышает 3-7°С.
Идея практического использования тепла океанической воды была впервые предложена французским ученым Д’Арсонвалем еще в 1881 году в связи с сокращением разведанных к тому времени запасов угля (главного источника энергии в то время), в предвидении энергетических кризисов будущего. Д’Арсонваль предложил использовать разность температур поверхностного и глубинного слоев океана в тепловой машине на основе цикла Карно. Сам Д’Арсонваль довольно скептически оценивал возможность практического использования тепла океана и приписал к своему докладу: «Я буду сожалеть, если эти идеи будут приняты всерьез, тем более, что сам я их так не воспринимаю».
Однако идея использования тепла без сжигания топлива все же нашла своих сторонников. В 1931 году на Кубе уже демонстрировалась первая тепловая машина, основанная на использовании тепла океана. При этом мощность установки составляла 22 кВт, что, однако, было ниже затрат на перекачку воды, т. е. установка оказалась нерентабельной. Позже, в 1934 году в Бразилии по этому же принципу была создана первая плавучая теплоэлектростанция мощностью 2 МВт, смонтированная на судне «Тунис» водоизмещением в 10 тыс. т.
Рис. 49. Схема тепловой машины Д’Арсонваля с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости
В отличие от первых опытов создания таких тепловых станций в настоящее время известна более совершенная схема с использованием не воды, а какой-либо другой рабочей жидкости, закипающей при более низкой температуре. Такой жидкостью, например, может служить аммиак, циркулирующий в замкнутой системе между двумя теплообменниками (рис. 49). В испарителе рабочая жидкость нагревается до 21°С, испаряется и приводит в движение турбину и связанный с ней генератор электрического тока; затем жидкость попадает в конденсатор, где охлаждается до 9°С, и снова поступает в испаритель и т. д. Работа теплообменников обеспечивается непрерывно прокачиваемой водой — теплой с поверхностного слоя океана (испаритель) и холодной с глубины 700 м (конденсатор).
Коэффициент полезного действия такой машины (с учетом затрат энергии на работу насосов по перекачке воды и рабочей жидкости) невелик и составляет всего 4%. Однако в условиях истощающихся и невосполняющихся запасов топлив — нефти, газа и угля — такой способ получения электрической энергии может стать более рентабельным. Естественно, что практическое использование тепловой машины Д’Арсонваля прежде всего целесообразно в районах со значительными и непрерывно пополняющимися запасами нагретой воды. А эти запасы в Мировом океане в целом весьма велики. Достаточно отметить, что площадь океана, в пределах которой поверхностный слой нагрет выше 25 °С, составляет более трети всей площади Мирового океана.
| Атлантический океан | 18 млн. км 2 |
| Тихий океан | 66 млн. км 2 |
| Индийский океан | 28 млн. км 2 |
| Внутренние моря | 14 млн. км 2 |
| Всего | 126 млн. км 2 |
По объему воды в океанах запасы теплой воды значительно скромнее — не превышают 1,7%. Однако по абсолютной величине они весьма значительны и, самое главное, быстро восполняются. Распределение объемов океанской воды различной температуры, °С:
| 3 | (76,3%) | |
| 4-10 | 221 тыс. км 3 | (16,1%) |
| 10-20 | 80 тыс. км 3 | (5,9%) |
| >20 | 23 тыс. км 3 | (1,7%) |
| Всего | 1369 тыс. км 3 | (100%) |
Таким образом, Мировой океан располагает исключительно богатыми и технически вполне доступными ресурсами тепла в виде 23 тыс. км 3 нагретой воды, разлитой по поверхности океана на площади более 130 млн. км 2 ! Такая огромная площадь распространения теплых вод делает их доступными для многих стран тропической и особенно экваториальной областей. Наиболее серьезные работы по промышленному освоению тепловой энергии океана ведут в Индии, Кот-д’Ивуаре и других странах. Сейчас разработаны проекты крупных плавучих электростанций в виде вертикальных цилиндров массой 300 тыс. т, вырабатывающих электроэнергию мощностью 160 МВт. С точки зрения влияния на окружающую среду даже длительная работа такой электростанции в одном районе может привести только к незначительному локальному понижению температуры поверхностного слоя океана, что в условиях сильных тропических течений вряд ли приведет к заметным экологическим последствиям. В нашей стране тропических морей нет. Однако и у нас может быть использована значительная разность температур морской воды и атмосферы. Особенно велика эта разность в Арктике, где она достигает 30-40 °С. Для использования этой энергии советским инженером А. К. Ильиным сконструирована АОТЭС — арктическая океанская тепловая электростанция, которая может успешно конкурировать с береговыми электростанциями, пожирающими огромное количество завозимого издалека топлива.
Общие запасы тепловой энергии Мирового океана оценивают в 10 13 Вт.
Источник
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОКЕАНА
Мировой океан является громадным естественным аккумулятором солнечной энергии. В среднем за один день 60 млн км 2 тропических морей и океанов поглощают количество солнечного излучения, эквивалентное энергии, которую можно получить из 40*10 9 м 3 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 о С и глубоководной с температурой до 6 о С. 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 о С 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 о С, что дает возможность для создания достаточно эффективной океанской тепловой электростанции.
Для преобразования теплоты океана в электричество используют системы различных типов:
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 о С. 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 о С, 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.
Источник