Гидроэнергетика

Океанические тепловые электрические станции (ОТЭС)

Одним из перспективных возобновляемых источников энергии является тепловая энергия океана, которую можно использовать на основе природной разности температур между поверхностными и глубинными океаническими водами в тропических районах. В полезную работу можно превратить тепло, идущее от рабочей среды с высокой температурой к среде с более низкой температурой. Средняя температура океанической воды на поверхности в тропиках достигает 28C, а на глубинах до 600 м температура воды составляет 3–4 C.

Идея использования тепловой энергии была практически реализована в 1928 г. французским инженером Ж. Клодом, соорудившим на побережье Кубы первую океаническую тепловую электростанцию (ОТЭС), которая развивала примерно 22 кВт электрической мощности и вырабатывала пресную воду. Энергия производилась в режиме так называемого открытого цикла, поскольку в качестве рабочей жидкости использовалась морская вода. С помощью насосов она передавалась с поверхности океана при температуре 27 C в испаритель с частичным вакуумированием, после чего превращалась в пар, который вращал турбину, связанную с электродвигателем. Затем пар охлаждался холодной водой с температурой 14C, отбираемой с глубины 400 м. Отработанная вода сбрасывалась в океан.

Более эффективным является замкнутый цикл, когда в качестве рабочей жидкости применяется низкокипящее рабочее тело (аммиак, пропан и др.)

Небольшие демонстрационные ОТЭС, использующие градиент температур поверхностных и глубинных слоев воды в океане, получили развитие в США, Японии и ряде островных государств экваториальной зоны. Несмотря на малую разность температур цикла ОТЭС, огромный тепловой потенциал, накопленный морской водой, делает заманчивым использование этого экологически чистого источника тепла для получения электроэнергии.

Первая современная конструкция ОТЭС мощностью 50 кВт была опробована вблизи Гавайских островов в 1979 г. В качестве рабочей жидкости применялся аммиак, который нагревался в теплообменнике поверхностной морской водой до 27 C, а охлаждался глубинной водой с температурой около 5C.

Более мощная опытная система ОТЭС была разработана японскими специалистами в 1980-х гг. на острове Науру в Тихом океане. Станция работает по замкнутому циклу на хладоне P22 при подаче теплой воды с температурой около 29 °C и холодной воды с глубины 580 м при температуре 7,9 °C. На этой станции достигнута мощность 120 кВт, из которой часть поступает в сеть острова Науру, а часть расходуется на собственные нужды.

Использование достаточно мощной ОТЭС в одном и том же месте в океане в течение неограниченного времени возможно только при наличии течений, приносящих тепловую энергию из других районов океана.

Схема океанической тепловой электростанции
Рис. 6.1. Схема океанической тепловой электростанции: 1 — насос теплой воды; 2 — испаритель; 3 — турбина;4 — генератор; 5 — конденсатор; 6 — насос рабочего тела; 7 — насос холодной воды

На рисунках 6.1 и 6.2 представлены принципиальная схема ОТЭС с циклом Ренкина на низкокипящем рабочем теле и конструкторские решения размещения оборудования.

Конструкторские решения размещения оборудования ОТЭС
Рис. 6.2. Конструкторские решения размещения оборудования ОТЭС: а — береговой вариант; б — морской вариант с использованием для размещения оборудования плавучей платформы

Теплая вода с поверхности океана забирается насосом и направляется в испаритель, где происходит нагрев и испарение низкокипящего рабочего тела за счет съема тепла с подведенной воды. Охлажденная вода из испарителя идет на сброс. Пар рабочего тела из испарителя попадает в турбину и далее в конденсатор. Для конденсации отработанного пара в конденсатор подводится холодная вода из глубинных слоев океана. Далее конденсат циркуляционным насосом закачивается в испаритель, и цикл на этом замыкается. Основные сложности связаны с необходимостью подъема значительных объемов воды с больших глубин.

Наиболее важными проблемами создания теплоэнергетических установок для тропических районов океана являются: интенсификация теплообмена в парогенераторе и конденсаторе для уменьшения их массы и габаритов, предотвращение биообрастания и коррозии оборудования, поиск эффективных и экологически безопасных низкокипящих рабочих веществ.

Разновидностью утилизации тепловой энергии океана является способ, основанный на использовании разности температур воды и воздуха над ее поверхностью. Особенно перспективен этот способ для арктических районов. Температура океанической воды в арктических районах на 30–40 C выше температуры атмосферного воздуха.

В арктических ОТЭС (рисунок 6.3) морская вода отдает тепло промежуточному рабочему телу в парогенераторе-испарителе станции. Это делает невозможным использование тепла воды ниже температуры ее замерзания. Температура воды подо льдом в арктических районах составляет не более +0,5C, а температура ее замерзания при 34% солености равна −1,86 C. Тогда перепад температуры в теплообменнике можно принят равным 2 C. В качестве конденсатора в таких ОТЭС можно использовать воздушную градирню с естественной тягой.

Схема арктической ОТЭС
Рис. 6.3. Схема арктической ОТЭС: 1 — насос;2 — испаритель; 3 — турбина; 4 — генератор; 5 — воздушная градирня; 6 — циркуляционный насос

К отрицательным последствиям работы ОТЭС можно отнести возможные утечки в океан низкокипящих рабочих тел, а также веществ, применяемых для промывки теплообменников. Возможно значительное выделение углекислого газа из поднимаемых на поверхность холодных глубинных вод из-за снижения в них парциального давления CO2 и повышения температуры. Выделение углекислого газа из воды при работе ОТЭС предположительно на 30% больше, чем при работе обычных ТЭС той же мощности, использующих органическое топливо.

Передача электрической энергии к потребителю на суше целесообразна тогда, когда ОТЭС находится не очень далеко от потребителей на суше.

В перспективе в разных странах предполагается создание автономных ОТЭС, размещаемых в открытом океане, для обеспечения энергией производств различных веществ из морской воды. Такие станции могут также использоваться для получения топлива при переработке газогидратов, которые наблюдаются в донных структурах внутренних морей Тихого и Северного Ледовитого океанов.

В будущем возможно широкое применение энергетических систем в океане для производства пресной воды. Сопутствующее этому производству получение громадного количества солей может послужить сырьевой базой для развития специальных отраслей химической промышленности.

Создание систем преобразования энергии океана требует разработки принципиально новой подводной техники, использующей новые синтетические и композитные материалы, а также дефицитные металлы, такие как титан, магний и др.