Тепловые станции в тропиках

Имеются и другие океанические возобновляемые источники энергии: биомасса и водород, волны и течения, разность в солености морской и речной воды – однако потенциал применения тепловой энергия океанов наиболее велик.
Но, «к сожалению, пока утилизация тепловой энергии окружающей среды находится только на уровне энергосбережения, например, в виде использования кондиционеров, - считает Станислав Понятовский, автор ряда российских патентов по освоению энергии океана. - Как нетрудно заметить, стены домов уже обвешиваются теплообменниками. Следующий шаг - за производством электроэнергии. Оборудование и для энергосбережения, и для производства электричества имеет аналогичные узлы, и его можно устанавлваить практически по одной и той же схеме. Но вырабатывать электроэнергию можно только в «морских» условиях, поскольку для ее выработки из первичного источника (имеющего характерный для окружающей среды градиент температуры) требуются большие тепловые потоки.
В отличие от других возобновляемых источников, тепловая энергии океана по своему энергетическому потенциалу сопоставима с безграничными возможностями поставок первичной тепловой энергии, ожидаемых от термоядерного синтеза. Энергетические объекты мощностью в 1 ГВт могут представлять собой мобильные установки водоизмещением около 100 000 т. В тропической части океанов возможна работа десятков тысяч таких тепловых электростанций практически в непрерывном режиме».
Сергей Хайтун, кандидат физико-математических наук, в.н.с. Института истории естествознания и техники РАН (ИИЕТ РАН), на вопрос о том, как наука смотрит на процесс утилизации тепловой энергии океана, отвечает, что наука свое мнение высказала 150 лет назад в работах французского ученого Д´Арсонваля, и дело теперь за техническим воплощением и поиском оптимальных схем, способных обеспечить максимальную эффективность. Д´Арсонваль еще в 1881 г. впервые высказал идею об использовании солнечной энергии, накопленной в океане в виде тепла. Более чем через 40 лет его ученик, Жорж Клод, наконец воплотил идею в жизнь и построил на Кубе небольшую систему утилизации термальной энергии океана. Ученый выбрал бухту Матанца, в которой большие глубины с высоким перепадом температуры воды подходят к самому берегу. Схема установки проста: в испарителе с частичным вакуумированием испаряется теплая вода с поверхности моря (температура порядка +27°C). Полученный пар вращает лопасти турбин, которые соединены с генераторами. Отработанный пар попадает в конденсатор, для охлаждения которого подается вода с глубины (температура порядка +4°C). Первая экспериментальная установка мощностью 22 кВт потребляла 80 кВт на работу своих насосов.

OTEC на Гавайях (источник: clubdesargonautes.org)

В 1970-е гг. ряд стран приступил к проектированию и строительству опытных океанических тепловых электростанций (ОТЭС) закрытого цикла. В таких ОТЭС есть принципиальное отличие от установок открытого цикла Жоржа Клода – в них используются жидкости с низкими температурами кипения, например, пропан, фреон или аммиак. В такой системе с помощью теплых поверхностных вод, прокачиваемых насосом через теплообменник испарителя, рабочее тело превращают в пар повышенного давления, давая ему возможность расшириться через турбину в холодильник, где пар конденсируется при контакте со стенками, охлаждаемыми водой, закачиваемой из глубинных слоев океана.
Холодная вода в океане находится на глубине около 600 м. Со времен Ж. Клода принято тепловую машину располагать на поверхности океана, а холодную воду поднимать по трубе на поверхность. Но на такой подъем воды требуется большой расход энергии.
«Новые технические решения, сформулированные в российских патентах, предполагают использовать мобильные теплообменные элементы, способные работать на различных глубинах, что значительно снизит технологические затраты энергии на собственные нужды, а также обеспечит возможность ремонта и борьбы с обрастанием оборудования морскими организмами, - считает Станислав Понятовский. - Все это позволит выйти на новый качественный уровень утилизации тепловой энергии океана. Основное отличие предлагаемой схемы заключается в глубинном расположении конденсатора - это исключает подъем воды с большой глубины и устраняет ряд существенных недостатков, присущих схеме Жоржа Клода».
Для эффективной работы ОТЭС необходим значительный перепад температур (выше 22°С для большинства схем). Энергия воды, которую можно использовать при разности температуры между верхним и глубинным слоем воды при 24°С, составляет около 10^8 Вт/м³. Такой перепад температуры обеспечен между тропиком Рака и тропиком Козерога, где поверхность воды нагревается до 27°C, а на глубине в 600 м температура падает до 2-3,5°С. В Карибском море, где тропические воды встречаются с арктическим потоком, разница температур на поверхности и на глубине 450-600 м достигает 22°С. Поэтому ОТЭС в основном можно располагать в экваториальных широтах с максимальным прогревом воды.