Тепло океанских вод как источник энергии

Две трети  Земли (361 млн. км ²) покрыто водой. Запасы энергии, сосредоточенной в Мировом океане колоссальны.  Известно, что плотность тепловой энергии океанов тропических широт – 300 000 Вт/м².Могут ли люди использовать тепловую энергию, обусловленную перегревом поверхностных вод океана по сравнению с более глубокими его водами, как возобновляемый источник?

На настоящий момент создано несколько станций, преобразующих тепловую энергию океана в электрическую энергию. Эти установки получили название ОТЕС (Ocean Thermal Energy Conversion). ОТЕС в основном можно располагать в экваториальных широтах с максимальным прогревом воды.

Еще в августе 1979 вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. В близи островов тропические воды встречаются с арктическим потоком, разница температур на поверхности и на глубине 450-600 м достигает 22°С.

Установка мини-ОТЕС была смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. В установке мини-ОТЕС теплые, поверхностные воды океана, прокачиваются насосом через теплообменник испарителя и превращают в газ рабочее тело с низкой температурой кипения (аммиак, фреон, пропан). Создается пар повышенного давления, который расширяется через турбину в холодильник, где конденсируется во втором теплообменнике, омываемом водой, закачиваемой из глубинных слоев океана. Установки такого принципа работы называются установками закрытого цикла. Именно на Гаваях впервые в истории техники установка ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полученный при эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро построить мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще более мощных систем подобного типа. Станции ОТЕС могут располагаться на материке или около него, на шельфе и в открытом океане (море)

Существуют также установки открытого цикла. В таких установках в качестве рабочего тела использована морская вода, подаваемая в испаритель через деаэратор. Наличие деаэратора диктуется необходимостью освобождения морской воды от растворенных в ней газов. Предварительно по объемам испарителя и конденсатора удаляется воздух, так что давление над поверхностью жидкости определяется только давлением насыщенных паров, которое сильно зависит от температуры. При характерных для ОТЕС температурах этот перепад составляет примерно 1,6 кПа (при замкнутом цикле на аммиаке около 500 кПа), под действием этого перепада пары воды приводят в движение турбину. Турбина, в свою очередь, проводит в действие электрогенератор. Проходя через турбину пары воды попадают в конденсатор, где вновь превращаются в жидкость.

Основное отличие открытого цикла заключается в незначительном перепада давлений, что требует использования соответствующих гигантских турбин диаметром в несколько десятков метров. Это, пожалуй, основной технический недостаток систем открытого цикла. Основное их преимущество - отсутствие гигантских теплообменников. Кроме того, при работе систем открытого цикла, за счет испарения морской воды могут быть получены большие количества пресной воды, что важно в жарком поясе планеты.

Системы ОТЕС могут работать не только в жарком климате. Проектируются станции, работающие в Арктическом климате, которые используют для выработки электроэнергии перепад температур между холодным воздухом и незамерзающей соленой водой подо льдом. Действительно, в Северном Ледовитом океане температура в поверхностном слое подо льдом близка к 0°С. Таким образом, разность температур подледной воды и воздуха составляет в арктических районах более 26°С и может быть использована для генерации электричества. Расчеты ученых показывают, что при таком перепаде каждый 1 м³ морской воды, будучи пропущен за 1 с через преобразователь, позволяет получить около 10 кВт мощности при КПД установки 5%. Эти устройства похожи на обычные тепловые станции с градирнями для охлаждения воды. Для эффективной работы такой станции, в охлаждающем контуре, необходимо использовать жидкость с низкой температурой замерзания. В качестве промежуточного теплоносителя здесь применяется водный раствор хлористого кальция с концентрацией не менее 26 кг на 100 кг воды, который достаточно широко используется в холодильной технике. Рабочим телом в основном контуре станции служит фреон-12, пары которого приводят в движение турбину с электрогенератором.

Простейшие системы использования тепловой энергии океана уже нашли реальное воплощение. В районе Нью-Йорка построена электростанция мощностью 7180 киловатт, что использует тепло океанской воды. Отработанный пар, не сбрасывается в море, а конденсируется с образованием пресной воды. Таким образом, кроме электроэнергии станция еще производит 22680 тонн пресной воды в сутки.

В апреле 2015 состоялся пуск новой тепловой станции, построенной компанией Makai Ocean Engeneering на Гавайских островах. Планируется выход на 105 КВт мощности, что хватит для освещения 120 домов. В будущем планируется выйти на мощности порядка 10 МВт для одной станции, что обеспечит электроэнергией 120 000 домов. По расчетам, 12 таких станций полностью обеспечат Гаваи электроэнергией.

У побережья тропического острова Хайнань в ближайшем будущем начнется возведение крупнейшей электростанции мощностью 10 МВт, которая будет использовать тепловую энергию океана.

Сегодня освоение тепловой энергии океана входит в национальные программы США, Франции, Японии, Швеции, Индии. Остров Реюньон был объявлен президентом Франции национальной лабораторией для создания океанической тепловой электростанции. В перспективе,  к 2030 г. построенные здесь ОТЭС должны полностью обеспечить потребности в электроэнергии всего острова.

Статьи об энергетике на сайте Temperatures.ru:

Проект 21 века - всемирная энергетическая сеть, подобная Интернету

Двигатель, нарушающий законы физики

Можно ли использовать энергию вращения Земли?

Ядерный синтез вместо расщепления (путь спасения для человечества?)

Фотосинтез – загадка на 122 миллиона

Концентратор энергии волн Wave Hub

Новая технология производства батарей для электромобилей

Как сконцентрировать излучение Солнца

Подземное хранилище энергии в Супермаркете Sainsbury's

Человеческая сила