Нашу планету по иронии судьбы называют Землёй. Название «Земля» присутствует в массе языков, связывая нашу планету с прочной твердью, к которой мы привыкли в своих обычных построениях. В то время, как настоящим, истинным названием нашей планеты вполне может быть именно «Океан». Ведь жидкая вода занимает в виде гидросферы около 71% поверхности Земли (или порядка 361 миллиона квадратных километров), оставляя для суши жалкие 29% площади планеты.
Есть места из космоса, при взгляде с которых наша планета так и выглядит. Как сплошной Океан, в котором изредка встречаются мелкие островки весьма одинокой суши:
И именно об Мировом Океане и о его громадном потенциале я хотел бы поговорить сегодня с вами. Ну а попутно, походя, мы зацепим и все те жалкие куски суши, которые к этому Океану прилепились. Если что, то Россия тут — слева вверху. А маленький остров слева внизу — это Новая Зеландия.
Этот пост будет о той самой альтернативной энергетике, которую я здесь часто ругаю. Но сегодня у нас по отношению к ней будут и тёплые слова. Будем справедливы.
С Мировым Океаном у человечества связано сразу несколько идей, касающихся энергетики.
Конечно же, основная идея, о которой я , связана с получением тяжёлого изотопа водорода — дейтерия, пригодного для термоядерного синтеза, из гидросферы планеты. Термоядерный реактор с электрической мощностью в 1 ГВт, использующий так называемое термоядерное «монотопливо» (реакцию D+D) сожжёт за год около 200 кг дейтерия.
Если предположить, что все термоядерные электростанции будут производить в будущем столько же, сколько сегодня производят все электростанции Земли, то потребление дейтерия для их нужд составит всего 3 000 тонн дейтерия в год. Дейтерия, которого у нас 1013 тонн только в гидросфере Земли (которую и в самом деле зря не назвали «Океаном») нам хватит на то, чтобы снабжать человечество энергией в течение многих миллионов лет. Тяжёлого водорода у нас около 0,015% от числа атомов его лёгкого собрата-протия, но даже такой скромной доли дейтерия вполне достаточно для обеспечения экономической целесообразности процесса получения термоядерного топлива из морской или пресной воды.
Приятным бонусом реакции D+D является практически бесплатная наработка в ней топлива для реакций D+T для гелиевого цикла на 3He (пресловутом гелии-3). Всё дело в том, что продуктами реакции D+D является всё то же термоядерное топливо — а именно тритий и гелий-3! Основная реакция D+D идёт по двум путям: на тритий и протон и на гелий-3 и нейтрон.
Если не сильно утомлять вас различными формулами и сечениями реакций (а попросту говоря — их вероятностями), то ситуация в дейтериевой плазме будет развиваться по следующему сценарию.
Основные реакции:
Побочные реакции:
Тритий и гелий-3 достаточно хорошо горят и сами в дейтериевой плазме, но если придумать, как их оттуда забирать, то «сложная» дейтериевая реакция, кроме того, что обеспечит нам энергетический «рог изобилия» сама по себе, ещё и сможет нарабатывать как тритий для простой, «детской» реакции D+T, над которой мы бьёмся уже сегодня, так и гелий-3, основная ценность которого — в качестве уникального топлива для межпланетных и (чем чёрт не шутит!) даже межзвёздных перелётов.
Однако, сегодня мы поговорим не о «светлом термоядерном послезавтра», а об «альтернативном зелёном завтра». В котором, кстати, у нас отнюдь не карликовые проекты, которые тоже связаны с Мировым Океаном.
Вначале — посмотрим на райские места нашей планеты, обделённые нефтью и газом, но зато богатые солнцем и морской водой. Именно тут возможно реализовать проект, который может обеспечить практически неограниченные потребности в энергии. Да ещё и при возможности иметь весьма эксклюзивный вид из окна:
Речь идёт о электростанциях на температурном градиенте морской воды.
Идее таких преобразователей, получающих электричество из простой разницы температур мы обязаны французу Жаку Арсену Д'Арсонвалю.
Французского врач Жак Арсен Д’Арсонваль (1851 — 1940) в медицинской среде известен, как изобретатель метода лечения при помощи электрических токов. Воздействие на поверхностные ткани и слизистые оболочки организма импульсными токами высокой частоты и сегодня называется дарсонвализацией.
Электротехникам он известен как создатель гальванометра. Знают его и энергетики.
В 1881 году Д'Арсонваль предложил необычный паровой двигатель. Вы знаете, наверное, что паровой двигатель может работать, только когда температура пара, выходящего из его котла, выше, чем температура окружающей среды. Тогда, соприкасаясь с ней, он снова может превратиться в жидкость. Полученную жидкость можно снова закачать насосом в котел, там превратить в пар, и так поступать снова и снова, замкнув так называемый паровой цикл Ренкина.
Именно этот момент (наличие холодного конденсатора, необходимого для работы любого теплового цикла) часто упускают из виду многие, рассуждая о тепловых машинах. А ведь именно наличие холодного конденсатора с заданной температурой задаёт многие параметры тепловой машины. И когда конденсатор оказывается внезапно слишком «тёплым», это часто приводит к массе проблем, как, например, случилось с АЭС «Хурагуа» . Тогда оказалось, что расчетная температура охлаждающей воды для работы АЭС была задана советскими проектировщиками в 28 °C, в то время, как температура воды в Карибском море, как оказалось, на Кубе никогда не опускалась ниже 30 °C, а иногда и спокойно доходила до 35-37 °C.
С ещё более сложной проблемой столкнулся в своих рассуждениях и идеях Д'Арсонваль в 1881 году.
Его идеей было поставить на службу человечеству «бесхозный» температурный градиент морской воды, наблюдающийся при переходе от тропических, нагретых Солнцем поверхностных слоёв воды к более глубоким, холодным слоям воды Мирового Океана в тех же тропических широтах.
Вот картинки современных исследований, проведенных с целью определения данного градиента в различных точках земного океанического шара:
Глубины 0 метров / 500 метров, разницы температур:
Глубины 0 метров / 1000 метров, разницы температур:
Всё, что заштриховано на карте оттенками красного и жёлтого — теоретически подходит для использования в цикле тепловых машин. В этих местах «океанического шара» разница температур между поверхностным слоем и слоем расположенным на глубине в 1 километр (а кое-где — и на глубине «всего лишь» в 500 метров) составляет больше 20 °C.
О важности разности температур для работы любой тепловой машины я говорил в своей о фреонах и о тепловых машинах, построенных на их использовании. Именно разница температур (ΔT) определяет КПД любой тепловой машины.
Обычно инженеры не мучаются с подбором вариантов по ΔT, просто нагревая горячую часть тепловой машины как можно интенсивнее за счёт сжигания топлива, и используют тот конденсатор, что бесплатно предоставляет им сама Природа.
В случае же Д'Арсонваля и его идеи «прикрутить» к его тепловой машине ещё и бесплатный нагреватель в виде Солнца, греющего поверхностный слой воды, выбирать не приходилось. Природа давала ему лишь градиент в 20-25 °C, а дальше предлагала самому сварить в голове «хреновую юшку» из такой «дешёвой, но поганой рыбки».
Ограничение «снизу» по температуре, которое я озвучил, как 20 °C, задавалось для Д'Арсонваля самой физикой работы тепловой машины, описаной ещё Сади Карно. Вот эта простая формула, описывающее идеальный КПД любой тепловой машины:
Как видите, она проста и лаконична и в ней присутствуют только два параметра — температура холодильника (конденсатора) Тх и температура нагревателя Тн. Они, и только они, определяют нам идеальный КПД тепловой машины. Считаются обе температуры, как и всё в термодинамике, от абсолютного нуля градусов, выраженного в ноль градусов Кельвина.
Нетрудно посчитать, что для случая градиента в 20 °C и для температуры поверхностного слоя (нагревателя тепловой машины) в 35 °C Д'Арсонваль мог в идеале рассчитывать всего лишь на 7% КПД.
В реальной же жизни, за счёт различных расходов установки, которые тоже составляют до 5-6% от полезной энергии, вырабатываемой самой электростанцией, чистый выход идеи Д'Арсонваля вообще мог упасть до 1-2%.
Но проблема была даже не низком КПД. Чёрт с ним, у паровой машины Ньюкомена КПД был и того хуже! Проблема была в том, что у Д'Арсонваля вообще не было пара для его тепловой машины! Ведь, если кто забыл, фреоны уже гораздо позже 1881 года. Да и скромный патентный служащий со своими (или всё же не своими?) ещё тоже был там, в отдалённом будущем.
По состоянию же на 1881 год человечеству были известны среди низкотемпературных вариантов тепловых машин только аммиачно-водный цикл, сернисто-ангидридный цикл и цикл на диэтиловом эфире. Все эти паровые циклы нуждались в весьма капризных и дорогих химических компонентах. Ведь аммиак ещё тоже надо было научится получать хоть сколь-либо эффективнее, нежели из всяких жизнедеятельности живых существ, а сернистый ангидрид и диэтиловый эфир ещё и были весьма неудобными в использовании.
Поэтому Д'Арсонвалю пришлось ограничится демонстрацией принципиальной возможности цикла на сернистом ангидриде, после чего о его идее благополучно забыли почти на полвека.
Для цикла Д'Арсонваля долго не удавалось подобрать другую легкокипящую жидкость вместо сернистого ангидрида: одни были дороги, другие были ядовиты, третьи — огнеопасны. И лишь в 1926 году два других французских инженера Георг Клод и Поль Бушеро предложили применить в двигателе Д’Арсонваля самую совершенную, самую простую и наиболее нетоксичную жидкость — воду!
Да, каждый из вас знает, что вода кипит при 100 °C. Но каждый, помнящий курс школьной физики или же пытавшийся сварить яйца где-нибудь высоко в горах, знает, что вода может кипеть и при температурах, гораздо более низких, нежели 100 °C. Нужно лишь создать пониженное давление. В 1926 году Клод и Бушеро продемонстрировали перед Французской академией наук двигатель, в котором вода кипела при температуре 28 °С, пар вращал турбину, а от генератора турбины легко горели лампочки.
Для достижения кипения воды при температуре 28°С, как это было в опыте Клода и Бушеро, им пришлось снизить давление в их установке до значения в 0,03 атм. В процессе кипения пар через трубку из колбы с водой перетекал в колбу со льдом, который и обеспечивал быструю конденсацию паров воды для поддержания стабильно низкого давления. Скорость истечения водяного пара в опыте оказалась на удивление велика — до 500 м/с. Такой скорости вполне хватало, чтобы раскрутить хорошую одноступенчатую турбину со сверхзвуковыми соплами Лаваля.
В одном из таких экспериментов мощность генератора кратковременно достигла 3 кВт. На этом принципе ученые в 1928 году построили электростанцию возле бельгийского металлургического завода Угрей-Мариэй на реке Маас. Источником тепла для нее служила вода, охлаждавшая заводскую домну. Эту воду обычно сбрасывали в реку. Температура этой воды всегда была на 20° С выше, чем в реке, но этой небольшой разности температур оказалось вполне достаточно, чтобы кипящая при пониженном давлении вода приводила в действие турбогенератор мощностью в 50 кВт.
Сейчас такое использование техногенного тепла становится практически обыденностью — «мечты сбываются» и человечество уже легко получает совершенно халявные киловатты мощности от машин, идею которых предложил ещё Д'Арсонваль. Впрочем, сейчас в таких установках больше используют фреон, нежели воду при низком давлении.
Ну а как же наша идея о Мировом Океане?
Накопив необходимый опыт, в 1930 году инженеры построили на Кубе установку, уже работающую от разности температуры океанских вод. При этом выяснилось: самое сложное — это подъем с больших глубин холодной океанской воды, обрастание труб морскими организмами и значительный расход энергии на перекачивание самой морской воды по километровым подводящим трубам.
Подводящие трубы кубинской установки Клода и Бушеро.
Клод и Бушеро в итоге получили со своей кубинской установки полезную мощность около 28 кВт, при этом потратив на её создание более миллиона долларов из собственных средств. Кроме того, выяснилось, что даже в тихой бухте Матанзас, которую изобретатели выбрали для своей первой установки, тоже иногда штормит, в результате чего первый же небольшой шторм вдребезги разнёс всю хлипкую конструкцию из понтонов и полупогружённых труб.
Кроме того, сама идея расположения установки на берегу задавала длину труб (по разным данным длина труб установки колебалась от 1,8 до 2,5 километра), в результате чего вся полученная полезная энергии электростанции тратилась тут же на перекачку морской воды по трубам. Есть даже мнение, что первая установка Клода и Бушеро так и не вышла на положительный энергетический баланс, с учётом расходов на энергию насосного и вспомогательного оборудования.
Учтя свой кубинский опыт, в 1934 году ученые начали сооружение плавающей установки для производства льда, основанной на похожих принципах, возле Рио-де-Жанейро. Мощность бразильской установки была увеличена до 1,2 МВт, с тем, чтобы уменьшить в ней долю расходов на собственные нужды, а использование списанного судна позволило сократить длину труб.
Списанное судно Tunisie, использовавшееся для опытов Клода и Бушеро.
Однако при строительстве установки произошла авария. Продолжить работу Клод и Бушеро уже не смогли — из-за банальной нехватки наличных средств.
Посмотреть на процесс строительства и эксплуатации установки Клода и Бушеро на Кубе и в Бразилии можно вот по . Старая киносъёмка хорошо передаёт масштабы и размах того первого начинания по технологии OTEC (Ocean thermal energy conversion), как называют сейчас установки, основанные на использовании температурного градиента морской воды на Западе.К идее установок OTEC возвратились снова уже после Второй мировой войны.
В 1974 году правительством США на Гавайях была создана специализированная лаборатория NELHA, и уже в 1979 году на ее базе инженеры Lockheed, Dillingham Corp и Makai Ocean Engineering построили экспериментальную станцию Mini-OTEC мощностью в 50 кВт. Она располагалась в 2 км от Кихоул-Пойнт на борту переоборудованной баржи ВМФ США. Забор холодной воды с температурой в 6°С осуществлялся с глубины 900 метров по полиэтиленовой трубе, а критически важные элементы системы – теплообменники – были выполнены из титана. Mini-OTEC стала первым в истории проектом с положительной нетто-мощностью, достигавшей при оптимальных погодных условиях выдачи в сеть до 15 кВт полезной мощности. Правда, через два года этот рекорд был побит японцами.
Установка ОТЕС в Кихоул-Пойнт, Гавайи
Ещё в 1970 году печально знаменитая теперь японская компания TEPCO приступила к созданию экспериментальной установки OTEC на столь же печально знаменитом острове Науру. Эта установка имела мощность в 120 кВт и была предназначена для электроснабжения ближайшей школы и небольшого посёлка на Науру. При этом около 90 кВт мощности установки расходовалось на её собственные нужды, в то время, как полезная мощность составляла всего 30 кВт. Установка на Науру была пущена в 1981 году и до сих пор держит рекорд в части максимальной мощности установки, долговременно подключенной к электрической сети с реальными потребителями. Видео об этой японской установке есть и .
Сейчас эта установка остановлена и демонтирована.
Главная проблема установок OTEC кроется в их гигантских теплообменниках и в длинных трубах для подачи морской воды. Многолетние эксперименты на Науру и на Гавайях показали, что их эффективность очень быстро падает из-за загрязнения солями и микроорганизмами. С морской живностью пытались бороться механическими способами: фильтрацией и чисткой. Но установка фильтров приводит к слишком большим энергозатратам на прокачку воды, а подача губчатой резиновой дроби в каналы системы почему-то лишь стимулирует размножение микроорганизмов.
Руководитель проектов OTEC корпорации Lockheed Martin Роберт Варли считает, что активная коммерческая генерация энергии из температурного градиента океана начнется лишь через 20–30 лет, а в ближайшие годы придется обкатывать технологию на пилотных опытных установках по 5–10 МВт мощности.
При таком росте размера установки встаёт и ещё одна острая проблема – для установки требуется, как ни крути, километровая труба для забора и подъема глубинной воды. В первых версиях установок обоих типов (и на Науру, и на Гавайях) ее делали из толстого полиэтилена. Для маломощных станций в десятки киловатт этот материал вполне приемлем. Но экономические расчеты показали, что минимальная нетто-мощность плавучей установки, претендующей на коммерческий успех, должна быть не менее 50 МВт. По оценке специалистов, для такого сооружения понадобится стекловолоконная труба диаметром около 8,7 м и с толщиной стенки 75 мм. Масса такой трубы в сборе составит уже около 2500 тонн, что дополнительно усложняет требования к плавучей платформе.
Современные разработки систем OTEC в большинстве своём используют уже не воду при низком давлении, а фреоны — это упрощает их конструкцию и уменьшает размер теплообменников. Кроме того, не приходится возиться с деаэрацией и очисткой воды.
Но и старые добрые системы OTEC открытого цикла имеют неоспоримые плюсы, главный из которых — это попутное опреснение большого объема воды. Напомню, что в процессе работы установки вода переходит в газообразное состояние, что автоматически решает проблему опреснения поступающей воды.
Компактные установки, способные обеспечить военно-морские базы электричеством и питьевой водой «в одном флаконе», крайне актуальны для армии и военно-морского флота США. Корпорация Lockheed Martin к 2015 году по контракту с ВМФ должна запустить на Гавайях пилотную тепловую электростанцию (пока закрытого типа) мощностью 5 МВт. Если она оправдает надежды, то партнеры приступят к реализации сразу двух больших проектов мощностью 100 МВт — на Гавайях и на острове Гуам. Кроме того, в течение двух лет на удаленной базе Диего Гарсия компания OCEES International начнет строить для моряков ВМФ США небольшую установку открытого типа в 13 МВт нетто-мощности, которая заменит нынешние дизель-генераторы и будет выдавать на-гора ещё и по 4,7 млн литров пресной воды в сутки.
Хорошо, скажет придирчивый читатель. А при чём тут Россия?
Гавайи мы (ну вот не захотел Александр I рисковать ради каких-то клочков суши на планете Океан), Папуасской Совестской Социалистической Республики в составе СССР вроде бы тоже не было (не поняли современники товарища Миклухо-Маклая), так что же автор нам тут хочет сказать?
Ну нет у нас пальм и такой водички, как на фото чуть повыше в статье!
У нас море вот такое:
Да, русское море — это не Гавайи!
Но «дельта-те» (ΔT) вообще-то пофиг, что вода в Арктике почти что замерзает, имея в страшном сне температуру в 4 °С. Важна не температура, а разность температур.
Несмотря на то, что Россия расположена очень далеко от красивой, красной «тропической зоны», мы можем развернуть свои мощности по станциям OTEC как раз в Арктике! Только надо поменять холодильник и нагреватель местами. Комбинация очень холодного воздуха Арктики и морской воды с плюсовой температурой дает градиент далеко за 25 и даже за 30 °С . При этом установка будет гораздо дешевле классической: километровая труба для забора глубинной воды в данной схеме просто не нужна — относительно «тёплую» морскую воду можно брать прямо с поверхости Северного Ледовитого Океана.
Ну а микроорганизмы... Да. Трудно микроорганизму при 4 °С. И мало организмов могут жить сразу и в пресной, и в солёной воде. Ну а пресной воды — в Арктике завались. Вон, мишка прямо по пресной воде и прыгает, засранец эдакий. Так что, господа, скрипач не нужен. Всё есть под рукой — бери и пользуйся.
Вот только института по исследованию и постройке электростанциий на температурном градиенте морской воды в России пока нет. А жаль, пора создавать. Лишним это не будет.
Хммм не попадете ли ввы в такуюже ловушку, как ветроэнергетика, что это будет интересно для поселков полярников, но закачка, в основную сеть+конструкция той самой сети до арктических еб...й будет нерентабельна ни в денежном ни в энергетическом эквиваленте.
вопрос цены. если себестоимость энергии будет ниже традиционных источников - проведут. ну или если с существующими источниками швах будет.
(Anonymous) весной и осенью дельта Т почти равна 0 - это суммарно 2 - 3 месяца, а летом цикл надо разворачивать вода примерно 5 градусов - воздух 12-19 - ещё 2 месяца минимум. На экваторе годовая стабильность выработки
В связке с АЭС - ок. Как раз можно компенсировать увеличение потребления энергии зимой.
А каков у этих полярных станций будет EROEI и цена киловатт-часа, с учётом всех затрат и амортизации?
Пока сиё тайна великая есть. Я лишь разбираю шаг за шагом вот эти кружочки:
Вот сегодня у нас кружочек с названием "ОТЕЦ". В смысле, ОТЕС.
© 2009 Технополис завтра
Перепечатка материалов приветствуется, при этом гиперссылка на статью или на главную страницу сайта "Технополис завтра" обязательна. Если же Ваши правила строже этих, пожалуйста, пользуйтесь при перепечатке Вашими же правилами.
