Самую маленькую батарею в мире, анод которой в семь тысяч раз тоньше человеческого волоса, в 2010 году собрали ученые из американской Национальной лаборатории Сандиа. Самую большую около миллиарда лет назад создала сама Мать-Природа. Речь идет о Мировом Океане

Ученые стремятся заставить работать на человека прибой, волны, ветер и даже растворенную вводе соль. Но несравнимо большие возможности откроются, если им удастся превратить в электричество разность температур между нагретой поверхностью океана и его студеными глубинами.

Французский биофизик Жак Арсен Д’Арсонваль первым догадался, что кипящая в вакууме теплая морская вода способна вращать паровую турбину и генерировать электроэнергию. Холодная вода с больших глубин при этом должна использоваться для последующей конденсации пара и получения питьевой пресной воды. Его публикация на эту тему появилась в 1881 году, но следующие полвека гениальная идея благополучно пролежала под сукном: у самого Д’Арсонваля нашлись более приземленные темы для исследований, а другим ученым она оказалась неинтересна.

Открытый цикл

Лишь в середине 1920-х изобретатель Жорж Клод, которого называли «французским Эдисоном», взялся за техническую реализацию проекта. В 1930 году в кубинской бухте Матанзас и в 1935-м в Бразилии он построил энергоустановки с паровыми турбинами низкого давления. Номинальная мощность первой составляла 22 кВт, второй — 1,2 МВт.

Принцип их работы был очень прост: теплую, как парное молоко, морскую воду закачивали в вакуумную камеру с давлением в пределах 0,03 атм, где она мгновенно вскипала и вращала лопатки турбины генератора. Отработанный пар через клапан выбрасывался в емкость с трубчатым змеевиком-конденсатором из латуни, в котором циркулировала ледяная вода, поднятая насосами из глубины. В этой емкости, в условиях атмосферного давления, пар превращался в сверхдефицитный товар- пресную воду. Ее собирали в большие емкости, а глубинную воду, сделавшую свое дело, сливали через трубопровод обратно в море на некотором удалении от зоны водозабора.

Системы такого типа, даже при смехотворном КПД 1−2%, при температуре теплой воды в пределах 25−28°С имели нетто-положительную мощность, то есть потребляли меньше энергии, чем вырабатывали. К сожалению, оба эксперимента закончились неудачей из-за технологического несовершенства: на Кубе хлипкая конструкция не выдержала натиска волн и развалилась еще до запуска, а в Бразилии списанную баржу водоизмещением 10 000 т, на которой Клод планировал поместить свою установку, так и не удалось поставить на мертвый якорь.

20 лет спустя схема с использованием морской воды в качестве рабочей жидкости, названная впоследствии станцией открытого цикла, или цикла Клода, была использована при строительстве коммерческой тепловой электростанции шельфового базирования мощностью 3 МВт у Берега Слоновой Кости. К сожалению, и этот проект провалился — по причине чисто экономической: в то же время вблизи Абиджана появилась небольшая ГЭС, полностью перекрывавшая ограниченный спрос дешевыми киловаттами.

Большому бизнесу технология конверсии тепловой энергии океана OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) была совершенно неинтересна вплоть до энергетического кризиса 1970-х. Дешевая нефть и изобилие каменного угля никак не стимулировали инвестиции в альтернативную энергетику. OTEC стала своеобразной «заначкой на черный день». Ко-гда же этот день наступил, оказалось, что идеи Д’Арсонваля и Клода без лишнего шума были глубоко пересмотрены и модернизированы выдающимся американским изобретателем-одиночкой, обладателем 125 патентов в области машиностроения и теплотехники Хилбертом Андерсоном.

Закрытый цикл

В 1940—1950-х Хилберт Андерсон занимался разработкой вакуумных насосов, компрессоров, паровых турбин, конструировал уникальное горное оборудование и сложнейшие системы теплообмена. В 1962 году Андерсон провел детальный анализ термодинамики OTEC открытого цикла и понял, что технологию можно серьезно улучшить, заменив воду другим, более эффективным рабочим телом с низкой температурой кипения, циркулирующим по замкнутому циклу, и тем самым избавившись от капризных вакуумных компонентов и затрат энергии на предварительную деаэрацию теплой воды. Разумеется, при такой схеме получать пресную воду становилось невозможно, но зато КПД системы увеличивался вдвое — с 2 до 4%.

В итоге инженер остановил свой выбор на пропилене, промышленном хладагенте, который вскипает при давлении 10 атм на отметке 19 °C. В 1964 году Андерсон вместе с сыном Джеймсом запатентовали технологию OTEC закрытого цикла, а в 1972-м создали компанию Sea Solar Power и на свои деньги построили демонстрационную модель установки с проточными теплообменниками, работающую на теплой и холодной воде из водопровода. Устройство размером с холодильник легко справлялось с питанием дюжины лампочек накаливания. Позднее Андерсоны разработали проект плавучей электростанции водоизмещением 25 000 т нетто-мощностью 100 МВт с жесткой многосекционной трубой большого диаметра из стекловолокна для забора глубинной воды и подачей теплой воды самотеком, но так и не смогли найти финансовых партнеров для ее строительства.

В разгар нефтяного кризиса начала 1970-х специалисты Lockheed Martin по заказу Департамента энергетики и ВМФ США разработали и запатентовали сразу несколько версий установки OTEC закрытого цикла, в которых в роли рабочего тела выступал аммиак. Всплеск активности американцев был вызван не только нефтяными интригами, но и резким усилением позиций конкурентов — в 1973 году в Японии для изучения проблем OTEC был основан целый университет с первоклассным оборудованием.

В 1974 году правительством США на Гавайях была создана специализированная лаборатория NELHA, и уже в 1979-м на ее базе инженеры Lockheed, Dillingham Corp и Makai Ocean Engineering построили экспериментальную станцию Mini-OTEC мощностью 50 кВт. Она располагалась в 2 км от Кихоул-Пойнт на борту переоборудованной баржи ВМФ США. Забор холодной воды температурой 6 °C осуществлялся с глубины 900 м по полиэтиленовой трубе, а критически важные элементы системы — теплообменники- были выполнены из титана. Mini-OTEC стала первым в истории проектом с положительной нетто-мощностью, достигавшей при оптимальных погодных условиях 15 кВт. Правда, через два года этот рекорд был побит японцами.

В 1984 году Александр Калина, инженер американской компании Wasabi Energy, вместо чистого аммиака предложил использовать его водный раствор — нашатырный спирт. Добавление в стандартную систему новых компонентов — рекуператора и адсорбера — позволяло точно регулировать насыщенность раствора и извлекать из отработанной воды остаточное тепло для предварительного подогрева воды на входе. КПД установки OTEC цикла Калины при температуре теплой воды 28 °C и холодной 4 °C составляет не менее 5%.

Японец Харуо Уэхара из Университета Сага в 1994 году опубликовал описание системы двойного испарения водно-аммиачной смеси с дополнительными турбинами, теплообменниками и нагревателями входящей воды. Уэхара утверждает, что, несмотря на общее усложнение, в его концепции термический КПД достигает 7%.

Размер имеет значение

Руководитель проектов OTEC корпорации Lockheed Martin Роберт Варли считает, что активная коммерческая генерация энергии из температурного градиента океана начнется лишь через 20−30 лет, а в ближайшие годы придется обкатывать технологию на пилотных установках по 5−10 МВт.

Главная проблема кроется в гигантских теплообменниках. Многолетние эксперименты в Японии и на Гавайях показали, что их эффективность очень быстро падает из-за загрязнения солями и микроорганизмами. С морской живностью пытались бороться механическими способами: фильтрацией и чисткой. Но установка фильтров приводит к слишком большим энергозатратам на прокачку воды, а подача губчатой резиновой дроби в каналы системы почему-то лишь стимулирует размножение микроорганизмов.

Сегодня ученые делают ставку на легкое хлорирование воды. Им удалось полностью исключить биозагрязнение титановых, алюминиевых и пластиковых поверхностей добавлением к воде мизерного количества хлора — 70 частиц на миллион — всего лишь на час в сутки. Вот только как скажется эта «химчистка» на морской экосистеме через пять, десять или двадцать лет, если учесть, что для беспрерывной работы станции мощностью 100 МВт 365 дней в году придется прокачивать 720 кубометров в секунду ледяной и 420 теплой воды? Ответа на этот вопрос, по словам вице-президента Lockheed Martin Криса Майерса, пока нет.

Еще одна острая проблема — километровая труба для забора и подъема глубинной воды. В первых версиях установок обоих типов ее делали из толстого полиэтилена. Для маломощных станций в десятки киловатт этот материал вполне приемлем. Но экономические расчеты показали, что минимальная нетто-мощность плавучей установки, претендующей на коммерческий успех, должна быть не менее 50МВт. По оценке специалистов, для сооружения водоизмещением от 125 до 250000 т понадобится стекловолоконная труба диаметром 8,7 м и толщиной стенки 75 мм. Масса трубы в сборе составит 2500 т.

НАТО все сгодится

Но и старые добрые системы OTEC открытого цикла имеют неоспоримые плюсы, главный из которых — попутное опреснение большого объема воды. Компактные установки, способные обеспечить военно-морские базы электричеством и питьевой водой «в одном флаконе», крайне актуальны для ВМФ США. Корпорация Lockheed Martin к 2015 году по контракту с ВМФ должна запустить на Гавайях пилотную тепловую электростанцию (пока закрытого типа) мощностью 5 МВт. Если она оправдает надежды, то партнеры приступят к реализации сразу двух больших проектов мощностью 100МВт на Гавайях и на острове Гуам. Кроме того, в течение двух лет на удаленной базе Диего Гарсия компания OCEES International начнет строить для моряков небольшую установку открытого типа в 13 МВт нетто-мощности, которая заменит нынешние дизель-генераторы и будет выдавать на-гора по 4,7 млн литров пресной воды в сутки.

Впрочем, и гражданские не собираются плестись варьергарде OTEC. Гавайи к 2030 году планируют производить не менее 70% всего электричества из экологически чистых возобновляемых источников. Без развертывания группировки установок OTEC им не обойтись. Островные электросети Hawaii Electric Company вместе с компанией Sea Solar Power в 2015 году начнут эксплуатацию шельфовой станции цикла Андерсона мощностью 25 МВт с перспективой увеличения производительности до 100 МВт к 2020 году.

Японцы, 35 лет проводившие фундаментальные исследования на базе Университета Сага, в ближайшее время построят несколько небольших экспериментальных установок. Тепловая электростанция шельфового базирования вскоре даст первые киловатты в Индии. Интересно, что и у России, удаленной от тропиков, есть шанс включиться в этот процесс. Так как в установках закрытого типа используются кипящие при очень низких температурах рабочие жидкости, а на эффективность процесса влияет не абсолютная температура, а разница температур, мы можем развернуть свои мощности в Арктике. Комбинация очень холодного воздуха и морской воды с плюсовой температурой дает градиент далеко за 25 и даже за 30 градусов. При этом установка будет гораздо дешевле классической: километровая труба для забора глубинной воды в данной схеме не нужна.

Статья «» опубликована в журнале «Популярная механика» (№8, Август 2011).