РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Киловатты от Нептуна: испарение

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
Тэги:
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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%.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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%.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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%.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

Загрузка статьи...