Выработка энергии из температурного градиента воды
Потенциал температурного градиента
Явление температурного градиента в Мировом океане возникает вследствие того, что солнечное излучение нагревает лишь верхние слои воды. Средняя температура воды в верхних слоях океанов в тропических поясах достигает 25–30 градусов по Цельсию, по мере увеличения глубины она резко падает. К примеру, на глубине 400 метров температура уменьшается до 12 градусов. На километровой глубине температура снижается до 3–5 градусов.
Для того чтобы понять масштаб энергетического потенциала температурного градиента, нужно прибегнуть к нехитрым расчётам. Каждый грамм нагретой воды у поверхности при разнице температур в 15 градусов содержит примерно на 15 калорий больше энергии, чем глубинный слой. В каждом кубометре воды — миллион граммов, таким образом, в этом объёме содержится 15 млн калорий энергии или 60 млн джоулей. При высвобождении такого количества энергии за одну секунду её генерируемая мощность составит 60 МВт. Если за секунду извлечь энергию одновременно из 20 кубометров воды, будет получено 1,2 ГВт, что сопоставимо с выработкой современной атомной электростанции.
Поскольку Мировой океан занимает порядка 70% поверхности нашей планеты, он получает статус самого крупного солнечного коллектора и энергетического хранилища. За световой день в воды океана попадает столько же солнечной энергии, сколько можно выработать из нефти в количестве 250 млрд баррелей. Даже при использовании 5% солнечного излучения, которое попадает в океаны, можно наладить работу генераторов суммарной мощностью 10 ТВт. Такие мощности соответствуют примерно 80 трлн кВт·ч годовой выработки, что вчетверо превышает совокупную мировую генерацию. Теоретический предел запасов мощности температурного градиента океанов достигает колоссального значения в 40 тыс. ТВт.
Как получить энергию нагретого океана
Конверсия энергии температурного градиента морской воды (Ocean thermal energy conversion, OTEC) осуществляется при помощи гидротермальных станций, которые устанавливаются в океанической акватории. Впрочем, ввиду несовершенства технологий реализованные проекты имеют по большей части экспериментальный характер. Принцип работы таких станций не нов — они представляют собой типичные машины с термодинамическим циклом, как и существующие тепловые насосы, холодильники или кондиционеры. Работа таких механизмов основана на переносе тепла с параллельным получением полезной работы или энергии. Потенциал гидротермальных станций зависит от показателя разницы температур воды в океане — чем он больше, тем более высокими будут КПД и продуктивность генерации.
Вне зависимости от того, какая конкретно схема реализуется при постройке станций, основным и неотъемлемым их элементом является труба большого диаметра длиной в несколько сотен метров. Данная труба погружается на глубину с целью забора воды из холодных слоёв. Вода поднимается к поверхности, охлаждая свою часть системы циркуляции. В свою очередь, тёплая вода с поверхности «отвечает» за нагретую часть системы. Внутри системы циркулирует рабочее тело — вода или низкокипящий компонент. В нагретом секторе системы он испаряется с образованием газа под давлением. Полученный газ вращает турбины генератора, вырабатывающего электроэнергию. В охлаждённом сегменте системы вещество рабочего тела конденсируется и процесс повторяется по циклу.
На современном этапе развития технологий реализуются проекты станций открытого, закрытого и гибридного типов:
- Работа открытой схемы предполагает применение морской воды в качестве рабочего тела. Вода циркулирует в одноконтурной системе. В условиях снижения давления по мере подъёма на поверхность вода закипает уже при нагреве 27 градусов по Цельсию. Для вращения турбины используется образовавшийся пар. Такой вариант станции менее эффективен в сравнении с проектами других типов, однако избавляет оператора от необходимости применения опасных низкокипящих компонентов, таких, как аммиак или фреон.
- Гидротермальные станции со схемой закрытого типа имеют два контура системы и используют в качестве промежуточного рабочего тела низкокипящие вещества. Последние испаряются в теплообменниках в результате подвода к ним тёплой воды из верхних океанических слоёв. После перехода в газообразное состояние рабочие тела начинают вращать турбину, после чего перекачиваются в конденсаторы, охлаждаемые водой с глубины. После конденсации компоненты подаются в насос и вновь транспортируются в теплообменник. В качестве рабочего тела, кроме упомянутых выше агентов, может применяться и пропан. КПД закрытой схемы не намного больше открытой и не превышает 5%.
- Гибридные станции совмещают в себе конструктивные решения предыдущих двух типов. Они включают два контура, в одном из которых происходит испарение морской воды, во втором — низкокипящих компонентов. Водяной пар подаётся в теплообменник и нагревает его, одновременно испаряя низкокипящее вещество. Последнее в процессе газообразования раскручивает турбину. Таким образом, основным отличием гибридной системы от остальных проектов станций является нагрев низкокипящего рабочего тела не непосредственно водой, а её паром.
Российские исследователи ещё в 1998 году предложили усовершенствовать систему работы гидротермальных станций. Их проект предусматривает размещение конденсатора для рабочего тела не у поверхности океана, а на глубине, в холодных слоях воды. Такая схема даст возможность избавиться от стадии подъёма холодной воды к станции, поскольку конденсация низкокипящего агента будет осуществляться сразу на глубине. Специалисты подсчитали, что рабочее тело с малой температурой кипения, к примеру, аммиак, имеет удельную теплоту парообразования при температуре 10 градусов по Цельсию на уровне 1,2 тыс. килоджоулей на килограмм, что больше показателя воды в несколько сотен раз.
Следовательно, низкокипящая жидкость способна переносить гораздо большие количества энергии, чем вода при сопоставимом расходе вещества. В таком случае требования к величине температурной разницы снижаются не только ввиду значительного повышения эффективности установки, но и отсутствия энергозатрат на закачку воды. Такие станции смогут вполне эффективно работать не только в тропической зоне, но и в умеренных широтах. По мнению российских исследователей, постройка станций возможна даже в условиях Арктики, если при этом применить иной способ получения энергии из океана. Речь идёт об использовании разницы температур воды океана и атмосферного воздуха. Последний намного холоднее воды и разница температур достигает 40 градусов по Цельсию.
Основной целью запуска гидротермальных станций является обеспечение энергией островных и удалённых регионов, которые живут на привозном топливе. Стоимость энергоресурсов в таких районах крайне высока. К примеру, тарифы на электроэнергию в американском штате Гавайи в три раза выше материковых. По этой причине, а не только в силу благоприятных климатических условий, именно в гавайском регионе уже несколько десятков лет реализуются гидротермальные проекты.
Видео: DCNSgroup
Кроме того, станции нового типа позволят решить проблему поставок энергии для осуществления морских производственных процессов, в том числе связанных с получением сырья из вод океана и топлива из газогидратов. В роли источника сырья могут послужить и продукты работы самих станций — к примеру, работе гидротермальной генерации с парообразованием воды сопутствует образование большого количества солей, которые могут применяться в химической промышленности. Кроме того, производственный процесс предусматривает опреснение морской воды вследствие её перегонки, что может быть крайне востребовано в регионах с засушливым климатом.
История появления отрасли и первые шаги
Гидротермальную установку впервые спроектировал ещё в 19-м веке французский изобретатель Арсен д’Арсонваль, выдвинувший предположение о возможности использования солнечного нагрева океана для производства энергии в 1881 году. Конструкция его генератора предусматривала поступление тёплой морской воды в теплообменник с аммиаком, который после испарения и выполнения работы по вращению лопастей турбин попадал в конденсатор. Таким образом, по сути установка была спроектирована по схеме закрытого типа. В 1930 году интерес к тематике гидротермальной энергетики проявил знаменитый физик Никола Тесла, однако он признал, что технологии того времени не позволят реализовать эффективные проекты таких станций.
Первая в мире гидротермальная станция была построена в 1927–1930 годах на Кубе Жоржем Клодом — французским физиком и последователем Арсена д’Арсонваля. Мощность станции, включающей схему открытого типа и паровую турбину низкого давления, то есть рассчитанную на циркуляцию морской воды в качестве рабочего тела, составляла 22 киловатта. Полноценного запуска станции не вышло — конструкция была уничтожена штормовыми волнами.
Вторая попытка учёного была предпринята уже в Бразилии в 1935 году. Станция, которую смонтировали на старой барже, обладала мощностью в 1,2 МВт. Однако и этот эксперимент оказался неудачным — баржу не удалось намертво пришвартовать к берегу и потому она была повреждена в результате неблагоприятных погодных условий. В любом случае, кубинский и бразильский генераторы имели нетто-положительную мощность, то есть вырабатывали больше энергии, чем потребляли (хотя на этот счёт есть иные мнения — по некоторым данным, станция на Кубе тратила вчетверо больше энергии, чем генерировала). Эксперименты, тем не менее, достигли своей цели — исследователь доказал, что получение энергии из нагретых вод океана вполне возможно.
Исследовательская работа была прервана Второй мировой войной и возобновлена через несколько лет после её окончания. В 1956 году французы пытались реализовать проект строительства гидротермальной станции у африканского Берега Слоновой Кости, однако не сумели довести дело до конца. Примерно в это же время в регионе была запущена обычная ГЭС, полностью удовлетворившая спрос потребителей. Ввиду дешевизны эксплуатации традиционных электростанций никто не заинтересовался идеей французов.
В пятидесятых за дело взялись и американские специалисты. Они смонтировали экспериментальную станцию с закрытой схемой на списанном танкере. Суммарная длина труб теплообменника достигала 140 километров, холодная вода подавалась с шестисотметровой глубины. Тогда же на Гавайях американцы построили первый береговой объект температурной генерации, однако результаты его работы оказались неудовлетворительными.
Значительный вклад в развитие отрасли сделал исследователь из США Хилберт Андерсон, учредивший специализированную фирму Sea Solar Power. Именно ему принадлежит заслуга изобретения станции закрытого цикла современного типа с эффективным хладагентом, в частности, пропиленом. В сравнении с открытыми схемами генерации его проект, запущенный в 1972 году, имел в два раза больший КПД. Показательная станция работала на водопроводной воде и могла запитывать полтора десятка ламп накаливания. Инженер разработал проект плавучей станции мощностью 100 МВт и водоизмещением в 25 тыс. тонн, однако не получил финансовой поддержки для воплощения его в жизнь.
Состоявшиеся и будущие проекты
Технологии гидротермальной энергетики были неинтересны крупному бизнесу до тех пор, пока в середине семидесятых не разразился нефтяной кризис. Тогда начался настоящий всплеск популярности гидротермальных решений. Впрочем, активизация развития отрасли продлилась относительно недолго и в восьмидесятых, после падения стоимости «чёрного золота», она пошла на убыль. Нельзя сказать, что данный сегмент энергетики сейчас не идёт вперёд, вплоть до последнего времени темпы его роста значительно замедлялись.
Одним из самых известных проектов стала американская станция Mini-OTEC мощностью 53 кВт на Гавайях, проработавшая с 1979 по 1981 годы. Постройка станции была частью исследовательской программы, которую выполняла специализированная лаборатория с 1974 года с привлечением специалистов Lockheed Martin, Dillingham Corp и Makai Ocean Engineering. В качестве рабочего тела в проекте применили аммиак. Станция, установленная на барже, работала практически без сбоев и показала высокую эффективность, дав полезную нагрузку в энергосистему региона.
В рамках развития проекта в 1981 году была запущена вторая по счёту гавайская станция аналогичной конструкции, однако с большей мощностью в 1 МВт — OTEC-1. Она, также не предназначенная для коммерческого использования, была смонтирована на борту танкера с электродвигательной установкой, запитываемой от этой же станции. Длина труб для извлечения холодной воды достигала почти километра. Совокупная масса сооружения составила 300 тыс. тонн.
Практически не отставали от американцев их японские конкуренты. Корпорация Tokyo Electric Power Company ещё в 1971 году разработала проект электростанции мощностью 120 кВт и сумела реализовать его в 1981 году на тихоокеанском острове Науру. Впрочем, значительная часть мощности — 90 кВт — затрачивается на обеспечение работы самой станции. Остальные объёмы направлены на удовлетворение энергетических потребностей местной школы. Забегая вперёд, можно сказать, что японцы по-прежнему пытаются идти вровень с американцами в данной сфере. Токио уже реализовал проект возведения станции в районе индийского штата Тамилнад со стартовой мощностью в 1 МВт.
Работа над отраслевыми проектами активизировалась лишь в последние годы. В 2009 году Lockheed Martin получила грант американского правительства на сумму $8 млн для модернизации старых гавайских гидротермальных мощностей для гражданских целей. В свою очередь, оператор Hawaiian Electric Company привлёк корпорацию Sea Solar Power к созданию станции на Гавайях мощностью 25 МВт к 2020 году с перспективой её наращивания до 100 МВт.
Заинтересовались проектами и военные — ВМС США заказали Lockheed строительство станции на Гавайях мощностью 5 МВт с перспективой возведения мощностей в пределах 100 МВт. Корпорация в 2015 году заявила о состоявшемся запуске ещё одной станции на Гавайях мощностью 100 кВт. С военными работает не только Lockheed, но и OCEES International, которая построит на базе армии США на острове Диего-Гарсия в Индийском океане генератор мощностью 13 МВт. Станция сможет обеспечить также и опреснение миллионов литров морской воды. Пронедра писали ранее, что американское оборонное ведомство крайне заинтересовано в освоении разных видов морской энергетики для собственных нужд, в том числе в строительстве станций, вырабатывающих энергию из волн и течений.
Проблемы и перспективы гидротермальной энергетики
Гидротермальная энергетика, помимо колоссального потенциала для развития, и неисчерпаемости своих источников, имеет ряд очевидных преимуществ перед другими видами альтернативной генерации, в том числе солнечной и ветряной. В частности, энергетический задел температурного градиента на квадратный метр площади мирового океана колеблется в пределах 300 кВт. Для сравнения — данный показатель для ветряных станций составляет 1,7 кВт, для солнечных и того меньше — 1,4 кВт.
В расчёт нужно брать и то, что остывание поверхностных слоёв океана происходит не сразу, поэтому гидротермальные станции могут генерировать энергию и после заката. В отличие от них, наземные солнечные станции не могут работать в ночное время, а при сильной облачности их эффективность значительно падает. Аналогично, ветряки неработоспособны, если ветер прекращается. Обширность водных пространств, пригодных для размещения гидротермальных станций и небольшой размер генерирующих комплексов (в сравнении с солнечными станциями и ветропарками) дают значительно большую свободу для выбора районов их установки. Напомним, серьёзные плюсы присущи и другому сегменту морской генерации — с использованием солёности воды.
Гидротермальные объекты не только способствуют решению энергетических проблем регионов, но и в какой-то мере благотворно влияют на климатические и погодные условия, а также на состояние живой природы в районах размещения. В частности, благодаря искусственному снижению температуры поверхностных слоёв воды можно уменьшить вероятность зарождения ураганов. Дело в том, что тропические тайфуны возникают над тёплой акваторией океана вследствие движения наверх влажного воздуха, а сухого — вниз, с последующей конденсацией влаги в осадки и созданием ветров штормовой силы. Станции снижают и температуру воздуха в регионах, что положительно скажется на условиях жизни и деятельности людей в жарких зонах. Что касается фауны и флоры, то станции, работающие на температурном градиенте, в процессе эксплуатации поднимают богатую биоактивными компонентами и питательными веществами воду из глубин, вызывая бурный рост планктона на поверхности и, следовательно, увеличение как количества, так и степени активности организмов всей пищевой цепочки.
Вместе со значительными преимуществами, гидротермальная энергетика имеет и ряд существенных недостатков, связанных в первую очередь с несовершенством существующих технологий постройки электростанций. Несмотря на огромные запасы энергии в океане, коэффициент полезного действия станций при её извлечении в лучшем случае не превышает 8%. Это связано с большими объёмами энергетических потерь ввиду неэффективной конструкции генерирующих установок.
Так, все три типа проектов станций — открытого, закрытого и гибридного циклов — предусматривают подъём холодной воды с глубин, что само по себе является энергозатратным процессом. При подъёме воды с глубины в 600 метров разница температур для того, чтобы станция не работала «в минус», должна быть не менее 20 градусов по Цельсию. Такая ситуация с разницей температур наблюдается только в экваториальной зоне Мирового океана, что на современном этапе развития технологий ограничивает районы размещения станций.
Кроме энергозатратности, пока ещё не решён ряд других технических проблем. К примеру, для уменьшения массы и габаритов станций требуется добиться интенсификации теплового обмена. Кроме того, если для станций небольшой мощности (десятки киловатт) приемлем вариант трубы для забора глубинной воды из полиэтилена, то для экономически рентабельных генерирующих объектов, мощность которых должна быть не ниже 50 МВт, подходят лишь трубы крупного водоизмещения — до 250 тыс. тонн из стекловолокна диаметром до девяти метров. Особенности работы станций предполагают также задействование специальной подводной техники, строящейся с применением композитных, синтетических материалов и дефицитных металлов, в том числе магния и титана.
Серьёзными недочётами конструкций станций является обрастание их элементов морскими биологическими организмами и солями, а также коррозия компонентов оборудования, как это выяснилось в ходе опытной эксплуатации генераторов на Гавайях и Науру. В своём противодействии биологическому загрязнению станций разработчики пошли разными путями, в том числе установкой фильтров и принудительной чисткой оборудования мелкими частицами. В результате установки фильтров значительно выросли энергозатраты из-за затруднённой прокачки воды, а подача в трубопроводные каналы резиновой дроби для их прочистки по неизвестным пока причинам лишь стимулировало рост загрязнённости биофауной.
Казалось, проблема была решена лёгким хлорированием воды в пропорции 70 на 1000000 частей в течение часа в сутки. По крайней мере, пластиковые, алюминиевые и титановые компоненты, обработанные таким образом, не загрязняются биоорганизмами. В то же время, одна станция мощностью 100 МВт в секунду будет прокачивать 720 кубометров холодной и 420 кубометров тёплой воды (для сравнения, секундный расход воды в Ниле составляет 1583 кубометра). При таких объёмах очистки вполне возможно серьёзное многолетнее загрязнение хлором океанической акватории.
Хлорные выбросы — это не единственная проблема, связанная с угрозой нанесения ущерба окружающей среде. Работа станций, вероятно, будет сопряжена с рисками аварийных утечек низкокипящих веществ, используемых в качестве рабочих тел, а также жидких компонентов, применяемых для промывки теплообменников. В связи с этим в настоящее время предпринимаются попытки поиска наименее токсичных агентов.
Также под большим вопросом находится безвредность гидротермических станций с точки зрения выбросов углекислоты и сероводорода. Глубинные воды вмещают гораздо больше углекислого газа, чем поверхностные. Вследствие подъёма больших объёмов воды в ней снижается парциальное давление углекислоты и сероводорода, повышается температура, что теоретически может вызвать интенсификацию выделения этих газов. По пессимистичным расчётам специалистов, выбросы углекислоты в атмосферу при работе гидротермальной станции будут даже большими на треть, чем в результате сжигания органического топлива на обычных ТЭС. Не нужно исключать и негативного воздействия факторов нарушения теплового баланса в океане в результате смешивания вод с разной температурой. Такое вмешательство в природную систему может негативно сказаться на состоянии теплолюбивой морской фауны.
Несмотря на имеющиеся проблемы, в пользу развития гидротермальной энергетики говорят не только его преимущества перед другими видами генерации из возобновляемых источников, в частности, ветряной и солнечной. Развитию сегмента выработки энергии из температурного градиента воды способствуют и чисто экономические расчёты, свидетельствующие о сопоставимой эффективности работы гидротермальных, тепловых и атомных электростанций. Продуктивность производства такого уровня редко присуща объектам альтернативной энергетики.
Вместе с тем, отсутствие достижений в решении вопросов технологического характера, минимизации экологических угроз, снижения себестоимости и повышения эффективности работы температурных генерирующих комплексов значительно тормозят развитие данного сегмента. По словам Роберта Варли, руководителя специализированного подразделения одного из флагманов отрасли — компании Lockheed Martin — в ближайшие годы во всём мире технологии будут преимущественно отрабатываться на пилотных станциях мощностью не более 10 МВт. По мнению представителя корпорации, активное коммерческое освоение ресурса разницы температур океана стартует не ранее, чем через два или три десятка лет. Вероятно, если к тому времени проблемы гидротермальных технологий будут полностью или частично решены, то рынок альтернативной энергетики получит абсолютно новый вектор развития.
