Для того чтобы представить себе перспективы использования ОТЭС, оценим запасенную в океанах тепловую энергию. Это можно сделать разными способами, поэтому в отечественной и зарубежной литературе приводятся данные, различающиеся во много раз. При этом, как правило, учитываются лишь тропические районы океана. Если известны объем V и температура Т1 тепловых поверхностных вод, их плотность р и удельная теплоемкость С, а также температура, до которой можно охладить этот слой, то запасенную энергию в нем подсчитывают по хорошо известной из термодинамики формуле E=pCV(Т1-Т2).
На протяжении более 6000 км вдоль экватора, между 15° южной и северной широт, поверхностный перемешанный слой толщиной 100 м имеет температуру 27— 28° С, а температура, до которой можно его охладить, 5° С. Объем теплых вод поверхностного слоя в указанных районах оценивается в 10 млн нм3, удельная теплоемкость морской воды — примерно в 4200 Дж/кг-град, а плотность — порядка 1 т/м3. Следовательно, запасенная тепловая энергия 1024 Дж. Для того чтобы определить, какую часть из этого огромного количества можно теоретически превратить в механическую или электрическую энергию, величину 1024 Дж умножим на КПД цикла Карпо, работающего между температурами 28 и 5° С. В результате получаем 6-1022 Дж. Если учесть, что время перемешивания вод океана, установленное па основе исследований глубоководной циркуляции, равно примерно 1 тыс. лет, то мощность тропических морей достигает 10 ТВт, что почти в 10 раз больше годового производства электроэнергии во всем мире.
Конечно, извлечь теоретически доступную тепловую энергию океана невозможно. Нельзя, например, всю поверхность тропических вод покрыть плавучими электростанциями, необычайно трудно создать тепловую машину с КПД, близким к КПД цикла Карно. Поэтому ясно, что вопрос об оценке тепловых энергетических ресурсов океана требует дополнительного рассмотрения. Реально извлекаемые энергетические ресурсы океана должны определяться из условия сохранения теплового равновесия природной среды, причем равновесие должно сохраняться не только в глобальном, по и в региональном масштабе. Таким образом, необходимо выявить допустимое изменение температуры воды в океане.
Главное влияние, которое оказывают па природу океанские тепловые электростанции, заключается в уменьшении температуры воды в океане, вследствие чего изменяются основные потоки энергии между океаном и атмосферой. Любая система преобразования энергии, если она изменяет естественные потоки энергии, не может быть свободна от искусственных климатических эффектов.
Разумно предположить, что изменение температуры поверхностных слоев океана в силу преобразования их тепловой энергии не должно превышать естественные флюктуации средней глобальной температуры Земли. Необходимые данные о них дают многолетние наблюдения за климатом. Данные о средней температуре северного полушария Земли за 1880—1980 гг., например, показывают, что в целом первая половина этого периода была холоднее второй на 0,3°. Многие специалисты считают, что изменение средней температуры Земли приблизительно на 0,5° не должно вызывать серьезные климатические отклонения.
В нашем случае рассматривается изменение температуры не всей глобальной системы, а только ее части — верхнего, перемешанного тропического слоя Мирового океана. Кроме того, океан поглощает в 1,8 раза больше солнечной энергии, чем суша, и тем самым существенно быстрее восстанавливает потерянную тепловую энергию. Поэтому предполагают, что допустимое уменьшение температуры поверхностных слоев океана вследствие использования его тепловой энергии может составлять 0,5°. При изменении температуры поверхности океана на эту величину меняется тепловое излучение водной поверхности. Количество тепловой энергии, которое без ущерба можно изъять из океана, как раз и равно изменению теплового излучения тропических областей Мирового океана, т. е. в 2 раза больше мирового потребления электроэнергии в 1980 г. Мощность тепловых ресурсов океана приближается к 11 млрд кВт.
Использование достаточно мощной ОТЭС в одном и том же месте в океане ограничено во времени. Представим себе, что средняя температура теплового слоя упала ниже допустимой нормы. Дальнейшая эксплуатация ОТЭС возможна только при наличии течений, приносящих тепловую энергию из других районов океана. Перепад температур ΔТ при разности глубин ΔΙΙ сохраняется в этом случае постоянным, и мощность системы можно оценить по формуле W=pC∆T∆HUSϰη/L, где р и С — плотность и теплоемкость воды; U — скорость горизонтального течения; S — площадь океана, занятая электростанцией; L — размер системы вдоль направления течения.
Кроме коэффициента η, в формулу введен некий коэффициент совершенства технической системы преобразования энергии ϰ. Естественно, что коэффициент ϰ всегда меньше единицы. В случае термомеханического преобразования энергии при использовании турбогенераторов, приводимых в движение нагретым паром испарившейся жидкости, коэффициент ϰ может иметь значение от 0,1 до 0,5. Возможно прямое термоэлектрическое преобразование энергии океана при использовании затопленных полупроводниковых батарей. В этом случае коэффициент ϰ обычно не превышает 0,1.
Рис. 17. Конструкция системы ОТЕС-1, разрабатываемой в США для работы вблизи Гавайских островов
Даже с учетом таких малых величин коэффициента преобразования энергии в океане при перепаде температур h=10°С на глубинах h=1000 м с поверхности S=1 км2 можно получить электрическую мощность около 1 тыс. МВт при скорости горизонтального течения воды 10 см/с. Это мощность примерно 10 современных атомных электростанций.
В океане встречаются районы со значительными термальными ресурсами. Например, в Тихом океане у берегов Японии перепад ΔТ может достигать более 20° С даже в широтах севернее субтропических. Именно здесь предполагается создание первых японских ОТЭС.
Важное преимущество солнечной энергии, накапливаемой в океане, заключается в том, что она практически не меняется в течение суток. Малость суточных вариаций, связанная с большой теплоемкостью и механической инерционностью воды, позволяет обходиться без систем аккумулирования энергии, которые принципиально необходимы при использовании солнечной энергии на суше.
Тропические океанские тепловые электростанции
В настоящее время проводятся эксперименты с двумя типами систем преобразования тепла приповерхностных слоев океана — «закрытой» и «открытой». На рис. 16 показана первая система. Насос обеспечивает циркуляцию аммиака, имеющего очень низкую температуру кипения, в замкнутом контуре. Теплая океаническая вода (25° С) нагревает в бойлере аммиак до 20° С, который переходит в газообразное состояние. В этом виде он поступает па турбину, где расширяется и приводит в действие генератор. Оттуда выходит с пониженными температурой и давлением и пропускается через теплообменник, использующий холодную воду; газ сжижается, и цикл повторяется вновь.
В «открытой» системе в качестве рабочего тела используется морская вода. С помощью насоса она передается из теплого слоя (25—28° С) в частично вакуумированный испаритель, где поддерживается давление па уровне 3,5% атмосферного. При пониженном давлении температура кипения воды уменьшается, она превращается в пар и направляется в турбогенератор. Отработанный пар конденсируется холодной водой из океанских глубин. Отработанная вода сбрасывается в океан. Реально оцениваемый КПД такого цикла значительно меньше теоретического и составляет лишь 3—4%.
Трудности использования энергоресурсов океана возникают и вследствие низкой плотности энергии. Это приводит к необходимости прокачивать через систему преобразования энергии большое количество воды. Для тропических районов океана теоретически объемный расход теплой воды через систему равен V=W72000, где W — мощность ОТЭС, кВт. Для тепловой электростанции мощностью 100 МВт, например, получаем расход в 50 м3/с (180 тыс. м3/ч).
Необходимо также отметить следующее условие, которое нужно соблюдать при определении наибольшей мощности системы преобразования энергии для конкретного района в океане: подача теплой воды должна быть такой, чтобы не вызвать гидродинамического возмущения воды в термоклине непосредственно под теплым перемешанным слоем океана. В противном случае в систему будет поступать более холодная вода, что вызовет снижение мощности.
Наряду со стационарными электростанциями, расположенными как вблизи берега, так и на самом берегу в районах океана с наибольшей разностью температур, разрабатывается теория «океанских пасущихся электростанций». Они будут представлять собой плавучие заводы, направляющиеся в районы с наибольшей разностью температур. Для определения таких районов и прогнозирования маршрутов перемещения плавучих электростанций уже используются спутники.
Транспортировка энергии с моря на берег может осуществляться различными способами, и прежде всего по подводному кабелю. Это экономически целесообразно в том случае, если расстояние до берега не превышает 300 км, однако сейчас изучаются и другие способы передачи энергии. Одновременно рассматривается возможность организации па месте энергоемких производств, например аммиака для удобрений, алюминия.
Энергия океана позволяет производить такое перспективное топливо, как водород, Методы получения водорода могут быть самыми разнообразными: электрохимическими, термохимическими, термическими и т. д. Водород называют топливом будущего. И это верно, так как ему свойственна значительная энергоемкость. Теплотворная способность водорода почти в 3 раза больше, чем у нефти, и примерно в 4 раза больше, чем у каменного угля. При сгорании водорода в среде кислорода образуются только пары воды, поэтому его применение в качестве основного топлива наиболее перспективно с точки зрения сохранения окружающей среды.
Системы преобразования энергии океана следует, невидимому, совместить с производством водорода, который можно накапливать, превращать из газообразного состояния в жидкое и в дальнейшем транспортировать с помощью специальных судов типа танкеров. Особый интерес представляют системы преобразования термальной энергии океана, вынесенные в удаленные от основных потребителей экваториальные зоны Мирового океана. В океане можно производить не только водород, но и другие вещества, требующие большого количества энергии и использующие в качестве сырья океанскую воду с растворенными в ней компонентами. Например, в океане можно получать в больших количествах аммиак, используя тот же водород и азот из воздуха. В будущем, вероятно, ОТЭС можно применять для производства пресной воды. Сопутствующее этому производству получение солей из морской воды может послужить сырьевой базой для развития специальных отраслей химической промышленности. Помимо производства пресной воды и выработки электричества, возникает возможность широкого развития рыболовства в окрестных водах. Холодная вода, которая при помощи насосов поднимается па поверхность, богата питательными веществами, что благоприятствует развитию морской фауны. В водах течения Гумбольдта — холодного потока, поднимающегося па поверхность у берегов Перу, добывается примерно 20% мирового улова рыбы. Сейчас возлагаются большие надежды на развитие марикультуры или аквакультуры (морского сельского хозяйства).
Тепловая энергия океана, хотя п представляется многообещающим источником энергии, однако ее освоение связано с решением ряда сложных проблем. Морские организмы сплошь покрывают днища кораблей, поверхности теплообменников. Поэтому уже сейчас разрабатываются соответствующие методы очистки. Сложнейшую техническую проблему представляет транспортировка и сборка труб для подъема на поверхность холодной воды, они могут достигать 20 м в диаметре и многих сотен метров в длину. Возникают трудности не столько в области техники, сколько в области морского права. Где могут работать ОТЭС, как должна регулироваться их деятельность, как облагать их налогами?
Арктические океанические тепловые электростанции
Для производства электрической и механической энергии принципиально возможно использовать разность температур между морской водой и холодным воздухом арктических (антарктических) районов земного шара. Средняя многолетняя температура воздуха, например, у Арктического побережья СССР, в районах от 150 до 163° в. д., составляет — 13,7° С. При этом более 150 сут в году температура держится менее — 10° С. Температура морской воды в рассматриваемых районах в зимний период непосредственно в слоях подо льдом близка к температуре замерзания при данной солености и колеблется от —0,5° до —1,5° С. На глубинах от 200 до 800 м температура воды даже в районе Северного полюса достигает 1° С. Таким образом, можно уверенно говорить об устойчивой разности температур около 15°.
В ряде районов Северного Ледовитого океана, особенно в устьях больших рек, таких, как Енисей, Лена, Обь, в зимнее время года имеются особо благоприятные условия для работы арктических ОТЭС. Средняя многолетняя зимняя (ноябрь—март) температура воздуха не превышает здесь — 26° С, а скорость ветра весьма постоянна — 10 м/с. Более теплый и пресный сток рек прогревает морскую воду подо льдом до 3° С. Здесь же наиболее высокая скорость течения достаточно толстого слоя (15 м), доходящая до 0,4 м/с. Для сравнения укажем, что характерная скорость постоянных течений в прибрежных районах Северного Ледовитого океана составляет лишь 0,02 м/с при глубине менее 100 м.
Каков же энергетический потенциал арктических морей? Для ответа па этот вопрос еще раз вспомним, что тепло отбирается от морской воды, которая при этом охлаждается. Но воду можно охладить только до температуры замерзания. Следовательно, можно рассчитывать па тепло, которое отдаст морская вода, изменяя свою температуру в лучшем случае с 3° С до температуры замерзания —0,5°. Считается, что 1 м2 поверхности арктических морей может дать мощность 4—9 кВт в зависимости от температуры атмосферного воздуха (—10... ...-30° С).
Арктические океанские тепловые электростанции могут работать по обычной схеме ОТЭС, основанной на закрытом цикле с низкокипящей рабочей жидкостью. В ОТЭС входят: парогенератор для получения пара рабочего вещества за счет теплообмена с морской водой, турбина для привода электрогенератора, устройство для конденсации отработавшего в турбине пара, а также насосы для подачи морской воды и холодного воздуха. Основные различия в схемах относятся к контуру конденсации. В качестве конденсатора часто рассматривается теплообменный аппарат поверхностного типа, в котором имеет место теплоотдача от трубок к воздуху. Воздух через конденсатор продувается вентилятором или за счет естественной конденсации. Применяется также промежуточный теплоноситель (раствор СаС12), циркулирующий в своем замкнутом контуре. Охлаждение раствора после выхода из конденсатора осуществляется в дополнительном поверхностном теплообменнике. Продувание воздуха через этот теплообменник производится вентилятором или за счет естественной конвекции.
В обычных условиях работы этих аппаратов коэффициент теплоотдачи к воздуху составляет не более 50 Вт/(м2-К), а плотность теплового потока 0,25 Вт/м2. Удельная тепловая мощность конденсатора (в киловаттах тепловой мощности па 1 кВт эффективной мощности станции) составляет 30—45, а удельная поверхность теплообмена конденсатора 120—225 м2/кВт. Очевидно, что в этом случае размеры конденсатора огромны. Это же относится к массе конденсатора. Представляется, что применение этих схем в арктических ОТЭС маловероятно.
Более перспективна схема арктической ОТЭС с промежуточным теплоносителем, охлаждаемым воздухом в оросительном режиме. Промежуточным теплоносителем может быть водный раствор СаС12, широко используемый в холодильной технике. При концентрации 26 кг соли на 100 кг воды раствор при температуре —25° С имеет плотность 1261 кг/м3, удельную теплоемкость 2805 Дж/(кг-К), коэффициент теплопроводности 0,5 Вт/ /(м-К), кинематический коэффициент вязкости 1,04·10-5 м2/с. В схеме с оросительным охладителем пар рабочего вещества ОТЭС конденсируется за счет прокачивания через него холодного раствора хлористого кальция. После конденсатора раствор в виде капель диаметром 1—2 мм соприкасается с атмосферным воздухом и охлаждается. Коэффициент теплоотдачи от капель к воздуху значительно выше, чем для трубок воздушного конденсатора, из-за небольшой толщины теплового и гидродинамического пограничных слоев у поверхности капель. В оросительном охладителе высокая относительная скорость воздуха может быть получена без применения вентилятора. Например, для капли раствора диаметром 1,5 мм скорость падения в воздухе (скорость витания) составляет не менее 6 м/с, а для капли 2 мм — более 7,5 м/с. Кроме того, при использовании энергии ветра суммарная скорость воздуха относительно капли больше скорости ее падения, что увеличивает коэффициент теплоотдачи. К достоинству схемы арктической ОТЭС с оросительным охладителем следует отнести то, что конденсатор станции практически не отличается от конденсатора ОТЭС для тропических районов океана и нет принципиальных ограничений для применения различных термодинамических циклов.
Отметим также, что основным вариантом схемы с дополнительным оросительным охладителем можно считать конструкции парогенератора и конденсатора с горизонтальными пучками гладких труб, в которых течет охлаждающая жидкость.
Рабочее вещество арктических ОТЭС должно удовлетворять ряду (зачастую противоречивых) требований. Важнейшие из них следующие. 1. Давление рабочего вещества при наименьшей температуре цикла не должно быть ниже атмосферного во избежание подсосов воздуха, что ведет к остановке станции и потере некоторой части дорогостоящего вещества во время регламентных работ. Давление при наибольшей температуре должно быть минимально возможным во избежание плохих весогабаритных характеристик. 2. Рабочее вещество должно обеспечивать максимальную термодинамическую эффективность цикла, так как термодинамические потери в ОТЭС являются главными. 3. Интенсивность теплообмена рабочего вещества в аппаратах станции должна быть высокой, чтобы обеспечить приемлемые массу и габариты этих аппаратов. 4. Эксплуатация установки с данным веществом должна быть безопасной.
Перечисленным выше условиям для арктических ОТЭС удовлетворяют дифтордихлорметан (фреон-12), трифтормонохлорметан (фреон-13), дифтормонохлорметан (фреон-22), пропан, аммиак и некоторые другие вещества. Рассмотренные вещества, кроме фреона-13, практически равнозначны для применения в арктических ОТЭС по таким основным параметрам установки, как КПД и полезная мощность. Различия возникают при оценке габаритов теплообменников и турбин, зависящих, как было показано выше, от возможного значения коэффициентов теплопередачи. Здесь преимущество имеет аммиак, хотя при использовании современных методов интенсификации теплообмена для других веществ это преимущество уменьшается. Аммиак имеет и более высокую теоретическую работу 1 кг пара в турбине, например по сравнению с фреоном-22 в 6 раз, что приводит к меньшему расходу аммиака при одинаковой мощности установки. Но объемный расход аммиака не меньше, чем фреопа-22, из-за большого удельного объема пара аммиака. Так как объемный расход вещества определяет габариты различных элементов установки, то, следовательно, и с этой точки зрения рассмотренные вещества равнозначны. Аммиак наименее удовлетворяет требованиям безопасной эксплуатации.
Следует отметить, что, проектируя арктические ОТЭС, нужно учитывать ряд их специфических особенностей. Станция сбрасывает охлажденную воду в виде струи, распространяющейся по определенному закону. Область возмущения акватории при истечении неизотермической струи должна быть тщательно определена. При создании арктических ОТЭС необходимо новое проектирование основных элементов и лишь в отдельных случаях возможно применение выпускаемого в настоящее время оборудования. В первую очередь это относится к насосам. Полезная мощность станции может составлять в зависимости от метеорологических условий только 15—16% номинальной. Следовательно, арктические ОТЭС должны состоять из блоков (модулей), а также иметь значительный запас установленной мощности.
Считается, что зимой в арктических районах океана энергия, обусловленная разностью температур морской воды подо льдом и атмосферного воздуха, может использоваться достаточно эффективно.
Важные, но в количественном отношении еще недостаточно ясные ограничения возникают вследствие влияния систем преобразования тепловой энергии океана на природную среду. В частности, гидродинамические и тепловые возмущения в океане в районе ОТЭС настолько велики, что позволяют говорить о влиянии этих систем на окружающую среду от местного до регионального и глобального масштабов. Эти влияния выражаются в местном изменении циркуляции вод, в биологическом воздействии на район океана, в региональных аномалиях и изменениях климата и др. Охлаждение вод океана вниз по течению за ОТЭС может вызвать увеличение питательных веществ в поверхностном слое и, как следствие, рост фитопланктона.
В отличие от обычных электростанций, в значительной мере загрязняющих окружающую среду, энергия океана представляется сегодня более чистым источником энергии. После проведения предварительных исследований по изучению воздействия ОТЭС на окружающую среду против них были выдвинуты лишь минимальные возражения. С одной стороны, морские организмы защищены от водозаборников экранами, с другой — на их развитии благоприятно сказывается богатая питательными веществами вода, которая поднимается с больших глубин, где жизнь очень ограниченна. Специалисты подсчитали, что в 2000 г., если вся энергия на Земле будет производиться за счет солнечной энергии океана, температура поверхности тропической части Мирового океана может понизиться меньше чем на полградуса, поскольку будет постоянно подогреваться за счет солнечных лучей.
Последствия этих изменений должны еще тщательно изучаться. Может так оказаться, что глубинные микроорганизмы при подъеме к поверхности будут просто загрязнять океан и придется принимать специальные меры по его очистке.
К отрицательным влияниям можно отнести и утечки из действующих ОТЭС в океан аммиака или фреона, а также веществ, используемых для промывки теплообменников (хлор и др.). Возможно также значительное выделение углекислого газа из холодных глубинных вод, поднимаемых на поверхность вследствие снижения их давления и повышения температуры. Выделение углекислоты из воды при работе океанских тепловых станций может быть на 30% больше, чем при работе обычных ТЭС той же мощности, использующих органическое топливо.
Создание ОТЭС потребует новых синтетических материалов, дефицитных дорогостоящих металлов, таких, как магний, титан и др. Сложной представляется организация технической безопасности, аварийных служб, контроля экологической чистоты.
