Технологии OTEC.

26 марта в библиотеке им. Серафимовича прошла лекция на тему технологий получения электроэнергии с использованием термальной энергии океана (OTEC - Ocean thermal energy conversion). Целью данного мероприятия являлось ознакомление с основным принципом работы электростанций данного типа и краткий обзор возможных перспектив применения технологий OTEC.



Системы, работающие в открытом космосе, а также на других планетах должны обладать большой степенью автономности. Средства, обеспечивающие автономность — это средства, напрямую поддерживающие жизнедеятельность человека в пилотируемых кораблях, такие как системы регенерации кислорода, циркуляции воды, отходов, запас пищи, и средства, позволяющие поддерживать деятельность всей системы, такие как средства генерации электроэнергии, разного рода двигательные установки и т. д. Среди последних, большое значение уделяется энергетическим системам. На лекции речь шла об энергетических системах, использующих энергию температурной разницы разных слоев больших водных пространств (океанов). Такие системы не будут работать в открытом космосе, но могут работать на планетах, где есть большие запасы какой-либо жидкости (Земля, или в будущем, Венера) или очень плотные газы (планеты-гиганты). Большие водные системы собирают огромное количество солнечной энергии в поверхностных слоях, при этом более глубокие слои остаются ненагретыми. Используя теплопередачу энергии от поверхностных слоев к глубинным, к примеру, на Земле, можно получить по крайней мере до 88 тысяч ТВт*ч электроэнергии без изменения свойств океана и экосистем. По этому, технологии использования разницы температур водных систем перспективны не только на других планетах, но и на Земле. Строя такие станции, человечество осваивает новые технологии и оттачивает их в Земных условиях, делая их более надежными и эффективными. Так, прежде чем использовать такие технологии в космосе, необходимо изучить и обкатать их на Земле. Но человечеству необходимо осваивать не только космос. На нашей планете существует большое число необжитых мест, которые можно и нужно использовать. Эти технологии позволят освоить и сделать более сносными условия жизни в некоторых из этих мест, там где есть океан и среднегодовая разница температур между слоями более 18-20 градусов.

Принцип работы и устройство



Технологии ОТЕС состоят в использовании разницы температур поверхностных слоев и придонных слоев океана. С помощью тепловой машины, которая является ядром всей конструкции, тепло, переданное нагревателем холодильнику преобразуется в механическую энергию вращения, которая в свою очередь, уже преобразуется в электрическую энергию с помощью генератора. При этом, нагревателем служит вода, взятая с поверхности океана, а холодильником — взятая с глубины. Обычному человеку будет непривычно, что нагреватель имеет сравнительно низкую для человека, однако для физики это не имеет значения: главное — это разность температур.

Тепловая машина, как было сказано выше, преобразует часть тепла, которое отдается нагревателем холодильнику, в механическую энергию. (Конечно, при этом тепло, отдаваемое нагревателем холодильнику меньше, чем тепло, отдаваемое нагревателем рабочему телу). Мощность машины зависит от двух факторов: количество передаваемого тепла и кпд. Для идеальной тепловой машины к.п.д. будет примерно 7% при разнице температур в 20 градусов.



Чем больше отношение разницы температур между нагревателем и холодильником к температуре нагревателя, тем выше кпд идеальной тепловой машины. У реальных тепловых машин кпд всегда ниже этого теоретического порога. Тепловые машины — обширный раздел физики и на лекции были рассмотрены только некоторые общие моменты.

Одна из главных частей тепловой машины для электростанции ОТЕС — турбины.Струя рабочего тела воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение. Турбины используют активный и реактивный принцип для приведения в движение лопаток.



Активный принцип состоит в преобразовании кинетической энергии движения через лопатки, а реактивный принцип состоит в преобразовании потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую энергию лопаток. Сейчас используются в основном, активно-реактивные турбины, которые используют и кинетическую энергию потока газа, и перепад давления между камерами. Нужно отметить, что размер турбины и как следствие, установки зависит от давления в установке. (А точнее, от разницы давлений на входе и выходе турбины. Чем ниже общее давление, тем ниже и эта разница.) Так, низкие давления требуют увеличение площади лопастей турбины для получения того же момента.

В двигателях открытого типа используется низкое давление насыщенных паров воды при 24-27 градусах по Цельсию и, соответственно, турбины достигают достаточно больших размеров. Чем больше размер турбины — тем сложнее использовать реактивный принцип в турбине. Это дополнительно уменьшает эффективность ОТЕС-систем с открытым циклом.

Ранние модели ОТЕС имели кпд 1-3%, новейшие вследствие роста технологий приближаются к теоретическому максимуму в 6-7%. Но КПД не является решающим фактором станции, так как при ее работе не тратится топливо. Так как мощность станции — это передаваемое количество тепла от нагревателя к холодильнику, помноженное на кпд, то можно увеличить мощность станции прогоняя бОльшие объемы воды, которые будут обмениваться бОльшим количеством тепла.

Тепловая машина для ОТЕС может быть закрытого, открытого и смешанного типов.



Двигатели закрытого типа (см. рис. выше) используют специальные вещества в качестве рабочего тела. Часто используют аммиак, он имеет лучшие свойства теплопроводности и из-за легкости молекулы, его пары более подвижны. К сожалению, он ядовит. Также можно использовать различные фтористые углеводороды (фреоны), которые также имеют хорошую теплопроводность, но вследствие Монреальского, Венского и Киотского протоколов использование их частично ограничено. Также можно использовать метан и другие легкие углеводороды, но они горючи.

Схема работы двигателя: испаряясь в испарителе 4, который нагревается током теплой воды (из 1 в 2), рабочее вещество приводит в движение турбину 3 и конденсируется на конденсаторе 5. Конденсированное вещество против повышенного давления перекачивается насосом 9, который при этом потребляет паразитную мощность. Конденсация паров вещества в конденсаторе приводит к тому, что в конденсаторе давление понижается. Разность давлений между конденсатором и испарителем приводит к тому, что создается устойчивый ток паров через турбину. В хорошо разработанных двигателях бОльшая часть понижения давления приходится как-раз на турбину.



Двигатели открытого типа используют пары воды в качестве рабочего тела. Попадая в резервуар с пониженным давлением, в котором находится испаритель, турбина и конденсатор, горячая вода с температурой 20-25 градусов испаряется в испарителе 4. Пары воды через турбину 3 попадают в конденсатор 5 и сконденсированная дистиллированная вода 8 идет к потребителю. Понижение давления в общей камере должно поддерживаться постоянно с помощью вакуумного насоса из-за того, что растворенные при атмосферном давлении в воде газы высвобождаются в установке, повышая давление. Побочный продукт данного типа двигателя — дистиллированная вода, которая является дефицитным продуктом особенно в тропиках. Разработка всех частей двигателя — сложная технологическая задача: так, в 1984 году SERI был разработан новый вертикальный испаритель с такой эффективностью, что до 97% теплой воды испаряется и далее идет через турбину.



Гибридные типы двигателя используют смешанные схемы, в которых имеется замкнутый цикл внутри открытого (изображен выше). Такая схема позволяет получать и высокий кпд и дистиллированную воду. Здесь, 3, 7 — турбины, 4- испаритель воды, 5 — конденсатор водяных паров и он же — испаритель паров рабочего вещества второго цикла, 8 — конденсатор паров рабочего цикла, 9 — циркуляционный насос, 1 и 2 - приток и слив горячей воды, 10 и 11 — приток и слив холодной воды с глубины океана.

Важную роль в технологиях ОТЕС играют насосы и трубы, обеспечивающие поднятие воды на поверхность. Вода на глубине менее соленая, но сжата высоким давлением, по этому имеет бОльшую плотность и не всплывает. При поднятии слоя воды давление понижается и всплываемая вода имеет меньшую плотность, чем вода у поверхности. (похожий процесс происходит в дымоходных трубах и градирнях) Этот процесс существенно облегчает поднятие воды.



Станции ОТЕС могут располагаться на материке или около него, на шельфе и в открытом океане (море).
Материковые станции имеют существенные экономические плюсы: они не требуют длинных питающих кабелей, их фиксация или якорение не представляет особых трудностей, монтаж или ремонт производить удобнее. К тому же, пользоваться побочными преимуществами станций легче. В качестве недостатков такого расположения станций можно отметить создание турбулентности в прибрежной зоне, что опасно для серфенгистов и пловцов. Но это решаемая инженерная задача. Так, в проекте компании Макаи были введены глубокие трубы специального сечения для предотвращения больших турбулентных потоков.
При создании шельфовых и особенно, станций находящихся в открытом море возникают инженерные проблемы с фиксацией (якорением) станции. Необходимость монтажа длинных якорей и сложный доступ к таким станциям вызывает их удорожание. К тому же возникают проблемы с доступом к кабелю, который необходимо предварительно поднимать с глубины. Также можно удерживать кабель на определенной глубине для того, чтобы частично решать эту проблему. Также возникают проблемы из-за плохой погоды. Так, шторм может сломать установку, нарушить соединение с трубой подающей воду. Вследствие этого используют гибкие трубы из полиэтилена или подобных материалов.

История технологии

В 1880 году Жак Арсен Д Арсонваль предложил использовать термальную энергию океана. Его ученик, Жорж Клоде построил первую электростанцию такого типа на Кубе в 1930. Это была 22 КВт электростанция, использующая турбину низкого давления. Первые электростанции использовали т. н. открытый цикл. Станция была разрушена штормом.
В 1935 году была предпринята попытка Клоде построить элетростанцию на грузовом судне около Бразилии. Погодные условия и волны разрушили станцию до момента ее полного пуска в сеть.

В 1956 французскими учеными разработана 3 МВт электростанция для питания Абиджана, Кот-Д Ивуар. Электростанция не была построена из-за экономических причин: большого количества дешевой нефти, хлынувшей на рынок, которое сделало неэффективным станцию.
С 1962 по 1967 Андерсонами сконструирован двигатель специально для технологий OTEC на основе двигателя системы Ранкина, использующий закрытый цикл. Этот двигатель позволил получать энергию дешевле, чем получаемую с помощью ТЭС.

В 1970 токийской электрической компанией была построена 100 КВт электростанция на двигателях закрытого типа на острове Науру. Электростанция введена в эксплуатацию в 1981, вырабатываемая мощность поднята до 120 КВт из которых 90 использовалось на собственные нужды. Остальная часть пошла на хозяйственные нужды. В том же году советским инженером д. Александром Калиной было предложено использовать смешанный водо-аммиачный цикл, что существенно подняло кпд установки.

В 1994 Университетом Сага была построена 4.5 КВт электростанция для тестирования нового двигателя, использующего цикл Уехара, разработанного Харуо Уехара, что позволило поднять кпд на 1-2% по сравнению с циклом Калины.

В 1970 президентом Картером была поставлена задача к 1999 году получить в общей сложности 10 Гвт используя технологии ОТЕС. Так основывается Лаборатория естественной энергии на Гавайях и к 1979 году была построена экспериментальная станция «мини-ОТЕС». В 1979 году компанией СЕРИ были разработаны новые испарители и конденсаторы и разработана 165 КВт станция, позже доразработанная до 210 КВт, причем с новым дизайном, в котором все части цикла были помещены в вакуумный сосуд из бетона, первый в своем роде.

В 2002 Индия протестировала 1 МВт станцию, которая была критическим образом безуспешной из-за слома насоса холодной воды.

Действующие станции и будущие проекты




В марте 2013 Университет Сага при поддержке промышленности Японии построил новую электростанцию в префектуре Окинава на острове Куме. В цели проекта входили проверки компьютерного моделирования и демонстрация технологий ОТЕС общественности. Она состоит из двух частей: 50 КВт генератора и второй части, сделанной для экспериментов и оптимизации.

В 2011 компанией Makai Ocean Engeneering завершен теплообменник на новой тестовой станции. В апреле 2015 состоялся пуск станции. 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.



Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) строит две электростанции ОТЕС общей производительностью в 5-10 МВт на Багамах. Станции также будут служить для кондиционирования воздуха.

Компания Локхид Мартин в партнерстве с Макаи Инжиниринг завершают постройку и установку 10 МВт электростанции с применением закрытого цикла. Ранее была построена и запущена 100 КВт электростанция.

Локхид Мартин и Рейнвуд Груп заключили контракт на постройку 10 МВт станции на Хайнане, в Китае. Постройку планируют завершить к 2017 году. Планируется использовать двигатели закрытого типа. В планах после постройки этой пилотной станции планируется построить электростанции ОТЕС общей емкостью в 10-100 МВт. Если пустить это количество электроэнергии в сеть, то станция обеспечит 0.12-1.2 млн. домов электроэнергией.

Okinawa Deep Sea Water Research Institute планирует на основе уже функционирующей станции на 100 КВт построить в будущем 1 МВт станцию морского базирования и 10 МВт береговую станцию.

Дополнительные преимущества технологии

Обессоливание. Как отмечалось выше, технологии ОТЕС позволяют получать дистиллированную воду. По расчетам, 2 мвт станция может получать до 4300 куб м дистиллированной воды в сутки.

Кондиционирование. Холодная вода с океанского дна может быть использована для охлаждения воздуха. Таким образом возможно более выгодное кондиционирование помещений, чем при помощи электроэнергии. Также будет сокращено количество потребляемой энергии.

Сельское хозяйство. С помощью холодной воды можно выращивать культуры, которые в тропиках не растут. Д-р Крейвен и д-р Девидсон запатентовали технологию, с помощью которой удалось вырастить более 100 сортов растений, не растущих в этих областях. К тому же, холодная вода около дна океана богата нитратами, которые можно использовать в качестве удобрений.

Водное хозяйство. С помощью холодной воды можно разводить редкие культуры, такие как лобстеры, форель, семга, гелиотис, устрицы и другие моллюски . Также можно выращивать водоросль спирулину.

Возможно получение водорода путем электролиза, который далее бы использовался в качестве топлива. Это пока слишком дорого и технологии его использования недостаточно доработаны.

Океанская вода и вода со дна океана в особенности, богата на элементы. Сравнительно легко получать из воды магний, натрий и хлор с помощью электролиза. Хлор далее можно применять для предотвращения обрастания конденсаторов микроорганизмами. Это обрастание серьезно затрудняет теплообмен. Существуют технологии, позволяющие получать из воды золото и уран. Вода со дна океана более богата на микроэлементы и подобного рода станции позволяют добывать эту воду в качестве одной из своих побочных функций.

Интересная лекция. Поместила её в избранное. Спасибо.
А Вас разрешите поздравить с Днем Рождения! И пожелать всяческих успехов и вообще всего самого хорошего Вам и Вашим близким.