4.4. ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГОЕМКИХ ВЕЩЕСТВ НА ОКЕАНИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ
Итак, электростанции в океане способны дать практически неограниченное количество сравнительно дешевой энергии.
Сразу же появляется соблазн переправить ее в виде традиционных энергоносителей на сушу и использовать в действующих технологических процессах. Однако при этом возникает вопрос: “Насколько правильно мы поступаем, поддерживая жизнь устаревшего парка автомобилей и тепловых электростанций с их непомерно высоким потреблением энергии?”.
Например, производя углеводороды на ОЭС и отправляя их на сушу, мы тем самым будем способствовать сохранению ТЭС и транспортных средств, использующих энергию топлива всего лишь с КПД 15-30 %. Причем в этом случае будет продолжаться накопление в окружающей среде токсичных, канцерогенных и мутагенных веществ, не говоря уже о повышении концентрации тепличных газов.
Перейдя, скажем, на использование водорода, ТЭС и автомобили смогут вырабатывать электроэнергию в топливных элементах с КПД 65-70 % и при этом не отравлять атмосферу своими выбросами.
Но решая таким методом проблему производства дешевой электроэнергии, мы приходим к другой крайности, а именно к созданию благоприятных условий для законсервирования в сегодняшнем виде архаичных производств стали, химических и пищевых продуктов.
Так, известно, что 15—25 % машин и оборудования ежегодно выводится из металлофонда Мира, исчисляемого миллиардами тонн, из-за коррозии и поломок, связанных с низкими прочностными свойствами применяемых материалов. На восстановление дееспособности металлофонда затрачиваются значительные средства. Избежать этого можно, если непосредственно на ОЭС организовать производство некорродирующих, высокопрочных и специальных сплавов, которые затем можно отправлять на сушу для изготовления машин, компьютеров, металлоконструкций и т. д.
Точно также не имеет смысла поставлять дешевый водород в сельское хозяйство. Здесь это высококалорийное и экологически чистое топливо будет использовано с ничтожным эффектом для вспахивания земли, посевов, внесения удобрений и уборки урожая.
Экономически гораздо выгоднее производить белок и другие продукты на основе водорода на самих ОЭС, минуя стадии выработки, транспортировки и потребления энергоносителей.
К аналогичному выводу можно прийти, анализируя производства различных химических продуктов, таких, как удобрения, каучук, пластмассы, синтетические волокна, краски и т. д.
Отсюда следует, что наиболее энергоемкие и экологически опасные промышленные объекты, а также ряд сельскохозяйственных производств целесообразно разместить непосредственно на платформах плавающих ОЭС.
Но вернемся к проблеме, решение которой сулит качественные изменения в технологиях базовых отраслей промышленности и транспорта. Речь идет о проблеме производства и использования дешевого водорода.
Перечислим области, где сейчас используют водород.
Химическая, нефтеперерабатывающая, угле- и нефтехимическая промышленности:
- синтез аммиака, хлористого водорода, метанола, восстановление углеводородов (риформинг), включая промежуточные вещества, необходимые для производства каучука, нейлона, анилина, полиуретана, красителей и мыла;
- получение малых объемов специальных химикалиев, в частности, перекиси водорода для производства персолей и стиральных порошков;
- в процессах гидрокрекинга и гидроочистки светлых нефтепродуктов и масел, регенерации катализаторов;
- получение жидких топлив из угля [82—88].
Микробиологическая промышленность:
- производство белка на основе водородокисляющих бактерий [89].
Пищевая промышленность:
- гидрирование овощей, животных жиров и сала для застывания. Маргарин является главным продуктом. Потребление водорода зависит от ценности йода в маслах, подлежащих гидрированию; рыбий жир (например, жир анчоуса) имеет более высокое содержание йода, чем овощной жир (масло) — следовательно, он требует больше водорода.
Металлургия и машиностроение:
- использование в качестве восстановительной атмосферы в производстве стали и металлообработке, особенно в процессе светлого отжига нержавеющей стали и спекания металлических порошков;
- в производстве высокочистого кремния для изготовления микроконтактов в электронной промышленности;
- в процессах изготовления ламп накаливания, радиоламп и кинескопов;
- при проведении водородной и водород-кислородной резки и сварки металлов, напылении антикоррозионных покрытий;
- в производстве флотируемого стекла [88, 90—92].
Энергетика и транспорт:
- извлечение и переработка урана, получение сверхперегретого пара при сжигании водорода в кислороде, охлаждение обмоток роторов и статоров в электрогенераторах;
- применение в качестве основного топлива транспортных двигателей и в качестве инициирующей добавки к углеводородным топливам [88, 93-97].
Космонавтика, авиация, водо- и воздухоплавание, метеослужба:
- топливо для ракетных и авиационных двигателей; реагент в химических источниках тока; газ для заполнения дирижаблей, радиозондовых и шаропилотных оболочек; газ для морских подъемных устройств [88, 95, 98-103].
Как видим, уникальные свойства водорода делают его незаменимым реагентом в большинстве химических и металлургических процессов, позволяют использовать в качестве высококалорийного и экологически чистого топлива, а также выдвигают на первое место при выборе газа для водо- и воздухоплавающих средств.
Разумеется, снижение стоимости водорода приведет как к расширению областей применения, так и к увеличению объемов его потребления.
Обсудим варианты использования энергии ОЭС с учетом необходимости производства водорода. Ранее предлагалось применять электроэнергию, вырабатываемую океаническими станциями, для получения химических продуктов, топлив (водорода), окисления и восстановления органических веществ, для получения золота, йода и т. д. из морской воды, и особенно для связывания азота [104]. Предлагалось также аккумулированную солнечную энергию использовать для сжижения воздуха. Жидкий воздух можно затем испарять за счет тепла окружающей среды и применять в воздушных двигателях [105]. Экономические расчеты проведены для двух производств: газообразного (или жидкого) водорода и азота [106]. Общим для них являются: генерация электроэнергии, обессоливание воды и производство водорода. При этом стоимость силовых устройств, электрогенераторов, опреснителей и электролизеров была принята по данным фирм, изготавливающих эти виды оборудования.
В случае производства жидкого водорода учитывалась стоимость установки для его сжижения, а при получении аммиака — оборудования по разделению воздуха и реакторов, где азот воздуха взаимодействует с водородом.
В расчетах ориентировались на две станции мощностью 100 и 500 МВт, расположенные на расстоянии от 185,2 км до 1852 км до берега.
Была подсчитана стоимость транспортировки водорода и жидкого аммиака по трубопроводам, проходящим под водой на глубине примерно 456 метров и, по второму варианту, океанскими баржами. В последнем случае принимались во внимание затраты на оборудование причалов.
Стоимость энергии, доставляемой с океанической станции, оказалась незначительно выше стоимости синтетических топлив, получаемых из угля. Так, стоимость метилового спирта из угля составила 6,0—7,5 долларов за МВт·ч, в то время как стоимость жидкого водорода оказалась равной 10—15 долларов за МВт·ч. Цены же на аммиак, поставляемый на берег, определились в пределах 270—277 долларов за тонну. Для сравнения: стоимость аммиака, получаемого на основе водорода из метана, составила в 1975 году 190-200 долларов за тонну. В расчетах принята стоимость энергии, вырабатываемой паровыми турбинами. Если же учесть, что гидропаровые турбины дают в 1,5—2 раза более дешевую электроэнергию, то цены продуктов, вырабатываемых на суше и в океане, становятся одинаковыми.
Ориентация на доставку водорода на сушу не совсем оправдана. Главным недостатком водорода в этом случае является низкая плотность. Газообразный водород имеет вес всего 0,089 кгв кубическом метре. Сейчас водород перевозят в баллонах при давлении 150 атмосфер. Вес каждого баллона — 85 кг, а вес водорода в нем — всего 0,5 кг. При таких весовых соотношениях нецелесообразно перевозить газообразный водород в танкерах.
Жидкий водород при 20° Кельвина имеет плотность 71,3 кг/м3, что также требует для его перевозки танкеров значительного объема. Кроме того, на плавающих станциях необходимо разместить специальные установки для сжижения водорода, а на танкерах — термостатирующие устройства, поддерживающие температуру водорода 20 °К. Известно также, что операции с жидким водородом крайне опасны в пожарном отношении.
Перечисленные трудности удается преодолеть, если получаемую на термогидростанциях электроэнергию использовать для восстановления окислов некоторых веществ. Затем эти вещества следует отправлять обычными танкерами на материк, где в специальных реакторных установках при взаимодействии с водой получать водород и окислы. Водород можно далее использовать как топливо для различных энергетических установок. С этой целью можно применять, например, литий, бор, магний, алюминий, кальций, кремний и другие вещества [93]. Целесообразность предложенного способа транспортировки энергии на материк подтверждается на примере рассмотрения реакции взаимодействия алюминия с водой
2Al + 3H2O = Al2O3 + 3H2 + Qp.
Весовые количества участвующих в реакции веществ таковы, что для получения 1 кг водорода требуется 9 кг алюминия, и при этом реакция сопровождается выделением тепла в количестве Qp=15155 кДж на каждый килограмм алюминия. Это тепло также может быть полезно утилизировано.
Если учесть, что 1 кг жидкого водорода занимает объем 14 х 10-3м3, а 9 кг алюминия — 3,1 х 10-3 м3, то танкер, перевозящий алюминий, способен доставить на берег в десять раз больше энергии, чем в случае транспорта им жидкого водорода. При замене угля, нефти и газа на водород понадобится несколько сотен миллионов тонн алюминия для транспорта энергии с ОЭС на сушу. Трудности в производстве такого количества алюминия заключаются в том, что высококачественные запасы бокситов на Земле сравнительно ограничены. Поэтому далее обсуждается более реальный вариант получения энергоаккумулирующих веществ на основе низкокалорийных углей.
Запасы этих так называемых низкокалорийных или высокозольных углей составляют сотни миллиардов тонн. Содержание углерода в них находится на уровне 30—60 %, остальное приходится на неорганическую часть, состоящую в основном из оксидов алюминия, кремния и железа.
Как известно, энергетике необходим уголь с минимальным содержанием неорганических соединений (менее 10 %).
Кокс, выпускаемый из угля для металлургии, тем более не допускает каких-либо оксидных включений.
Таким образом, колоссальные запасы низкокалорийного угля оказались невостребоваными.
Между тем, оптимальное сочетание углерода и оксидов придает низкокалорийному углю наиболее ценные свойства сырья для производства необходимых нам сплавов и легирующих элементов.
Для получения 1 т сплава ферросиликоалюминия (ФСА) требуется в среднем 3 т высокозольного угля и 12 МВт электроэнергии.
При взаимодействии углерода с оксидами алюминия, кремния и железа в руднотермических печах образуется значительное количество газообразного оксида углерода, что делает возможным выработку 0,6 т метанола на каждую тонну выпускаемого сплава.
Примеси, имеющиеся в угле, частично переходят в сплав, что сказывается на его активности.
Высокую реакционную способность при взаимодействии с водой с выделением водорода обнаружил сплав [107] при следующем соотношении компонентов, мас, %: железо 5,0—15,0; алюминий 3,0—20,0; кальций 0,1 — 1,0; натрий 0,01 — 1,00; медь 0,1—3,0; кремний — остальное; а также сплав [108]: железо 5,0—15,0; алюминий 3,0—20,0; кальций 0,1 — 1,5; бор 0,01-3,2; калий 0,01 — 1,0; кремний — остальное.
Перед использованием в водородных реакторах сплавы предварительно закаливают при 1600—1750 °С или проводят сверхбыструю закалку с целью получения аморфной структуры [109-111].
В последнее время проведен анализ углеотходов отечественных обогатительных фабрик с целью использования их в качестве шихты для выплавки сплава ФСА [112].
Одновременно с усовершенствованием состава сплава и расширением сырьевой базы для его производства создан и испытан ряд транспортных и стационарных водородных реакторных установок [113—116].
Кроме энергетики, транспорта и угольной промышленности, развертывание широкомасштабного производства сплава ФСА на ОЭС затронет интересы и металлургии. Дело в том, что этот сплав уже сейчас используют в значительных объемах для раскисления, модификации и легирования сталей [117, 118]. В перспективе ФСА займет место дефицитного кокса.
На данный момент нами разрабатывается технология производства алюминия путем центрифугирования сплава ФСА. Эти работы позволят обеспечить машиностроение дешевым конструкционным алюминием, а также некорродирующими литейными сплавами силикоалюминия.
Ранее мы сделали заключение о том, что на ОЭС нет особой необходимости производить в значительных масштабах нынешние энергоносители. Но синтез углеводородов в океане целесообразен, когда речь идет о получении продуктов питания. Для этого достаточно разместить на платформе станции установку непрерывного культивирования водородных бактерий. Как известно [119, 120], водородокисляющие бактерии способны синтезировать биомассу, богатую белком, витаминами, а также другие продукты из простой газовой среды за счет энергии окисления водорода. Питающая бактерии газовая смесь содержит 50—60% H2, 20—30% O2, 2-5% CO2. Первые два элемента можно получить электролизом воды, углекислый газ — дегазацией глубинной воды. Бактерии выращиваются в питательной минеральной среде, содержащей азот, фосфор, серу, калий, магний и другие вещества. Большинство из них имеется в морской воде или может быть получено из воздуха.
Удельная калорийность биомассы водородных бактерий в среднем составляет 22175 кДж/кг, при этом коэффициент использования энергии окисления водорода достигает 24,5 %. При оптимальных условиях выращивания водородные бактерии выделяют в среду в значительных количествах лишь продукт окисления водорода — воду.
В 0,1 кг белка водородных бактерий содержится полный суточный рацион незаменимых аминокислот для человека. На биосинтез 1 кг сухой биомассы расходуется 40-50 кВт-ч электроэнергии. Термогидростанция мощностью 100 МВт может производить в час 2000 т сухой биомассы.
Итак, недалеко то время, когда флотилии танкеров, груженные низкокалорийным углем, будут направляться на ОЭС и через некоторое время возвращаться заполненными ценнейшими металлургическими и химическими продуктами, которые могут быть также использованы как энергоносители.
Часть танкеров будет привозить нам белок и различные морепродукты.
Низкая стоимость электроэнергии, вырабатываемой ОЭС, приведет к смещению промышленности и сельского хозяйства в просторы океана.
ВЫВОДЫ
Выполненные термодинамические расчеты показали, что при определенных условиях океан и атмосфера в состоянии в течение 3 млн. лет изменить скорость вращения Земли вокруг своей оси на 30—40 оборотов в год.
Для исключения колебаний скорости вращения Земли производство электроэнергии на основе тепла океана следует осуществлять в узкой зоне, прилегающей к экватору.
С площади экваториального пояса океана размером в 5 млн. км2 можно получить примерно в 3 раза больше энергии, чем производят ее сейчас все электростанции мира.
Наиболее перспективным двигателем, способным эффективно использовать малые разности температур между слоями воды в океане, является турбина, работающая на вскипающей воде.
На океанических станциях целесообразно разместить энергоемкие производства сплавов, белка и химических продуктов. Сырьем для выплавки сплавов может служить низкокалорийный уголь, завозимый на ОЭС танкерами.
Производимые на ОЭС сплавы имеют многоцелевое назначение. Они служат в качестве раскислителей сталей, сырьем для производства алюминия, а также активным реагентом при производстве водорода из воды.
Массовое производство дешевого водорода способно качественно изменить технологии производства промышленных и сельскохозяйственных продуктов, а также улучшить показатели транспортных средств.
ПОСЛЕСЛОВИЕ К ПЕРВОЙ ЧАСТИ КНИГИ
В этом разделе принято подводить итоги рассмотрению затронутых в книге проблем. Но поскольку краткие выводы даны после каждой главы, то не имеет смысла останавливаться на них вновь.
Кажется более целесообразным обсудить здесь мероприятия, которые необходимо провести для решения проблемы освоения возобновляемых источников энергии.
Из предоставленного в данной книге материала видно, насколько многогранна поставленная задача. Но по своему экономическому значению обладание неограниченными запасами природной энергии не менее важно, чем, например, освоение космоса или глубин океана.
Влияние предлагаемого способа на климат Земли будет обнаружено сразу же после того, как в плавание отправится первая флотилия ОЭС.
Из законов термодинамики следует, что климатические циклы на Земле носят необратимый характер и раз начавшееся потепление или похолодание невозможно остановить. Этот факт нужно принимать как должное, а размещение новых городов и промышленных объектов производить с учетом ожидаемых изменений в природе.
Посмотрим, насколько опасно намечающееся потепление на Земле.
Как известно, более 71 % поверхности земного шара занимает Мировой океан. Если вычесть из оставшейся части районы, занимаемые ледниками, пустынями, горами, болотами и тундрой с ее вечной мерзлотой, где жизнь практически невозможна, то оказывается, что человечество ютится на 10 % поверхности Земли. Отсюда возникают серьезные конфликты из-за клочков Земли, к тому же, как правило, непригодных для нормальной жизни.
Но в истории Земли были периоды, когда температура поверхностных слоев Мирового океана была примерно одинаковой на экваторе и в приполярных областях. В этот тропический период биосфера распространила свои владения до Северного и Южного полюсов.
Подсчитано, что таяние ледников Антарктиды и Гренландии повысит уровень Мирового океана на 60 м, что приведет к затоплению части низменных территорий Земли. Да, это действительно произойдет. Но одновременное улучшение циркуляции вод в Мировом океане даст человечеству бескрайние просторы Антарктиды и Гренландии, сделает пригодной для жизни Сибирь, Аляску и Север Канады. Наконец, обладание мощными природными источниками энергии даст возможность покрыть Сахару сетью каналов с циркулируемыми потоками воды и превратить ее в цветущий сад. Плавающие города также позволят решить часть территориальных проблем.
Откроется перспектива использования биологических ресурсов в обширных районах приполярья.
Возможно, деятельность ООН следует переместить с улаживания хронических территориальных конфликтов на решение проблемы рационального использования материков?
Поэтому необходимо активизировать сотрудничество заинтересованных стран в создании океанических электростанций.
В свое время исследовательская группа, возглавляемая автором, приостановила разработку конкретных ОЭС. Причина была одна — стоимость защиты плавающей ОЭС от нападения извне оказалась соизмеримой со стоимостью самой станции. Но в свете многочисленных человеческих жертв и материальных затрат на ликвидацию последствий недавних катастроф, связанных со взрывом реактора атомной станции и разрушением небоскребов, расходы на защиту ОЭС уже не кажутся слишком высокими.
Строительство ОЭС позволит ликвидировать конфликты, возникающие из-за источников энергии.
Видимо, назрела необходимость тесной увязки усилий, предпринимаемых энергетиками, с исследованиями метеорологов и океанологов. Нужно не упустить шанс по регулированию климата на Земле с помощью плавающих ОЭС.
Автор приглашает читателей принять участие в дискуссии по затронутым в книге проблемам. Вторая часть монографии “Термодинамика литосферы. Геотермические электростанции” выйдет в свет с интервалом примерно в полгода. Это дает возможность поместить в приложении к ней наиболее интересные отзывы о первой части книги. Надо сказать, что первый этап дискуссии состоялся вслед за опубликованием в печати сведений о способе извлечения природной энергии [68, 69, 121 — 125]. Самым поразительным оказалось то, что специалисты, участвующие в дискуссии, не смогли отличить термический КПД турбины ηt от внутреннего КПД ηо.е [126, 127]. Само собой разумеется, что аналогичные отзывы, по своей сути противоречащие законам физики, не будут включены в состав приложения второй части книги.
Здесь необходимо еще раз напомнить предполагаемым участникам дискуссии, что изложенный в монографии материал является всего лишь теорией, отражающей наиболее вероятный механизм наблюдаемых земных процессов. Только комплексные исследования активных зон атмосферы и океана в сочетании с измерениями скорости вращения Земли могут подтвердить или опровергнуть выдвигаемую теорию.
В связи с этим автор надеется, что специалисты, желающие принять участие в дискуссии, предложат свои экспериментально обоснованные модели природных явлений.
Вслед за второй частью данной монографии автор предполагает издать книгу “Аккумулируемая энергия” в 2-х частях. Часть 1 — “Термодинамика биосферы”. Часть 2 — “Электрохимические и высокотемпературные электростанции”.
В приложении этой книги будут помещены отзывы читателей о второй части монографии “Возобновляемая энергия”.
Одновременно автор оставляет за собой право ответить наиболее активным критикам выдвинутой им теории.
К слову, использование методов термодинамики для расчета промышленных и природных процессов находится на крайне низком уровне.
Так, несмотря на то, что с момента опубликования автором термодинамической теории естественной циркуляции потоков прошел значительный период времени [95], в большинстве высших учебных заведений, в том числе и в НТУ “ХПИ”, продолжается изучение ошибочного гидродинамического метода расчета циркуляционных контуров парогенераторов и испарителей.
В пределах изученной литературы по метеорологии и океанологии автор также не обнаружил сколько-нибудь серьезных термодинамических расчетов. Из отечественных ученых ближе всего к пониманию термодинамических основ природных процессов подошел океанолог В. Шулейкин.
Отсюда напрашивается вывод о том, что в учебные программы вузов должен быть введен курс по термодинамическим методам анализа природных и промышленных процессов. Возможно, повышение уровня знаний в столь абстрактной и трудноусваиваемой дисциплине, как термодинамика, позволит ученым и инженерам склонить общественное мнение в пользу необходимости решения стоящей перед нами проблемы. В этом случае, очевидно, будет проще убедить потенциальных инвесторов вложить средства в разработку конкретных проектов океанических электростанций. Именно это обстоятельство послужило причиной составления автором данного пособия к учебному курсу.
Данная книга одновременно издана на английском языке.
