Альтернативные источники энергии

Последнее десятилетие характеризуется определен­ными успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (OTEG — начальные буквы английских слов Ocean Thermal Energy Conversion, т. е. преобразование тепловой энергии оке­ана — речь идет о преобразовании в электрическую энер­гию). Установка мини-ОТЕС смогла отдать в электриче­скую сеть 12—15 кВт, а на собственные нужды потре­била около 35 кВт. Опыт, полученный при разработке и опытной эксплуатации установок мини-ОТЕС и ОТЕС-1, позволил приступить к проектированию тепловых океан­ских станций на сотни мегаватт.

Запасы энергии градиента солености, или осмоса (греч. «толчок», «давление»), по некоторым оценкам, не усту­пают тепловой энергии океана. Осмотическая энергия — наиболее «таинственный», т. е. наименее очевидный вид энергии океана, поскольку наши органы чувств эту энер­гию ие воспринимают.

Энергия течений Мирового океана по величине близка к энергии, получаемой от сжигания всех видов топлива на Земле в течение года (примерно 1020 Дж). Начаты ра­боты по использованию энергии Гольфстрима, самого мощного течения в Мировом океане. Предполагается использовать около 1 % его энергии. Авторы проекта считают, что эта цифра не должна заметно отразиться на общем  балансе   энергии  течения.

По оценке Комиссии по экономии энергии и энерго­ресурсов Мировой энергетической конференции (МИРЭК), сегодня важным энергетическим ресурсом является био­масса, так как дает 10 % мирового потребления первичной энергии. Ожидается, что она будет играть такую же важ­ную роль в будущем обеспечении энергией при выработке технологического тепла и производства синтетических топлив. Синтетическое топливо из биомассы можно сжи­гать на электростанциях, использовать на транспорте или в промышленности. Часть биомассы доставляет Ми­ровой океан, предполагается, что доля океана в поставке биомассы будет возрастать. Рассматривается создание энергетических плантаций, для которых в океане имеются очень широкие возможности. По оптимистическим оцен­кам, углеводородное топливо из водорослей может произво­диться по цене, меньшей мировой рыночной цены на нефть.

Более трети поверхности Мирового океана (130 млн. км'") имеет дно, грунт которою пригоден для выращивания быстрорастущих водорослей, из которых можно легко получить горючие газы метан и этан, широко исполь­зуемые для самых разных целей. В настоящее время обра­щено внимание на выращивание бурой водоросли — весьма урожайной культуры (от 600 до 1000 т с гектара в сыром весе). Бурая водоросль не имеет корней, поэтому для нее не очень важен состав грунта. Растет она в толще морской воды, но вода должна быть достаточно богата питатель­ными солями и должно быть много солнца.

Имеются в Мировом океане и другие источники энер­гии. Например, обсуждался вопрос об использовании сероводорода — горючего газа с неплохой калорийностью. Сероводородом очень богато Черное море, и к тому же его количество там непрерывно возрастает. Есть сероводород и в других районах Мирового океана — общие запасы его очень велики (недостаток этого вида топлива — непри­ятный запах, но, возможно, будет найден способ его устранения).

Весьма перспективный вид энергии Мирового океана — это энергия волн. В океане много видов воли. Однако с точки зрения выработки электрической энергии заслу­живают внимания лишь три их типа: приливные волны, ветровые волны и зыбь. Ветровые волны обладают боль­шой разрушительной силой, т. е. несут значительную энер­гию. Несколько миллионов штормов ежегодно случается в Мировом океане. По подсчетам академика Н. В. Мель­никова, 1 км2 водной поверхности с волнами высотой около 5 м обладает мощностью около 3 млн. кВт. А штор­мовая погода может охватить площадь в несколько тысяч квадратных километров. Соответственно волновая мощ­ность Мирового океана оценивается цифрой около 3 млрд. кВт! Запасы энергии ветровых волн и зыби огромны, но степень разработанности проблемы ее использования пока недостаточна, лишь в последнее десятилетие были сде­ланы некоторые шаги в деле практического использования энергии ветровых волн и зыби — для выработки электри­ческой энергии Значительно раньше началось использование энер­гии приливных волн, отличающихся четкой регуляр­ностью: два раза в сутки в определенное время появля­ются приливные волны заранее известной высоты. Эти свойства — строгая периодичность и определенная вы­сота — позволили людям очень рано научиться использо вать их энергию: уже в XI в. строили мельницы, работа­ющие за счет энергии прилива (например, во Франции в г. Шербуре до сих пор действует старая мельница, ис­пользующая энергию приливных волн). В наши дни при­ливные электростанции — самые мощные среди других волновых электростанций, но их можно построить не на любом участке побережья (и, как правило, не там, где особенно нужна энергия). У нас в стране, например, при­рода распорядилась так, что самые мощные приливы име­ются вдали от индустриальных центров или районов с большим потреблением энергии. В Советском Союзе самые мощные приливы — у берегов Камчатки, где общая энергия приливных волн равна примерно 1019   Дж в год.

Ветровые волны и зыбь хороши тем, что для использо­вания их энергии не надо искать особых мест с благо­приятными географическими условиями, как для при­ливных волн. Они бывают на любой акватории — был бы ветер да пространство для разгона. Чтобы утилизировать энергию ветровых волн (и зыби), не надо строить больших и дорогих плотин, что также очень важное преимущество. Именно поэтому в разных странах ведутся исследования по выбору наилучших способов преобразования энергии ветровых волн и зыби. Созданы волноэнергетические уста­новки разных мощностей, использующие различные фи­зические  принципы  для  преобразования  энергии  волн.

Почти полвека назад академик В. В. Шулейкин от­метил три основных направления, по которым шла кон­структорская мысль в решепии проблемы использования энергии поверхностных волн . На одно из первых мест он ставил использование энергии качки: движение по­плавка передается поршням насосов. Если учесть, что поплавок может иметь массу в сотни тонн, а размах коле­бательного движения принять порядка нескольких мет­ров, то, очевидно, таким путем может быть получена весьма значительная мощность. Современные английские проекты использования волновой энергии («утка» Солтера и «плот» Коккереля) основываются именно на этом прин­ципе. Второй способ — использование ударного давле­ния: волны ударяют в подвижную деталь волновой ма­шины и отдают ей свою кинетическую энергию. Этот принцип с успехом применялся в конце прошлого столе­тия в установках, использовавших энергию волн для на­качки воды.  Не потерял он своего значения и в наши дни (правда, для маломощных установок). Третий путь — использование гидравлического тарана. По этому спо­собу была построена экспериментальная установка на станции Морского гидрофизического института АН СССР в Крыму. Ныне эта идея в большем масштабе реализу­ется на острове Маврикий и в других местах.

Различные виды энергии океана американский спе­циалист Д. Д. Айзеке предложил условно оценивать одной мерой — в метрах водяного столба 2. Эта величина на­зывается им плотностью потока, она характеризует сте­пень концентрации данного вида энергии. С помощью этого понятия удобно сравнивать между собой различные виды энергии в океане. Например, для теплового гради­ента (т. е. разности температур между теплым и холодным слоями) 20 °С плотность потока составляет 570 м водя­ного столба, ее напор — как в грандиозном водохрани­лище, подпертом плотиной высотой более полукилометра. А для градиента 12 °С плотность потока равна 210 м. Обе цифры (210 и 570 м) рассчитаны с учетом КПД тепло­вой машины, работающей по циклу Карно. Такую плот­ность потока в океане имеет еще только энергия градиента солености (осмоса) — 240 м. Другие виды энергии океана имеют значительно меньшие значения плотности потока. Так, для ветровых волн она составляет 1,5 м, а для океан­ских течений —лишь 0,05 м. Но, как сказал Д. Д. Ай­зеке, еще остаются неоткрытыми совершенно новые прин­ципы, простые и сложные, обнаружив которые, можно использовать ресурсы океана, связанные с энергией, для блага человечества.

§2.2ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОКЕАНА

ИДЕЯ Д'АРСОНВАЛЯ  И РАБОТЫ КЛОДА

В 20-е годы нашего века многие журналы мира обошел странный рисунок (рис. 27): из-под киля судна в глубину уходила труба больше самого судна. Столь необычная труба понадобилась французскому ученому Жоржу Клоду . для подъема из глубин океана холодной воды. Клод в те годы начал экспериментальные работы по использованию тепла океана для получения электрической энергии. \ Но чтобы извлечь энергию из теплой воды, одновременно необходима и холодная. Теплой воды сколько угодно на поверхности океана в тропиках, а холодная вода (4—5 °С) есть только на больших глубинах океана — около 1 км. Для ее получения оттуда и понадобилась длинная труба, которая оказалась самой уязвимой частью энерге­тической установки и отломилась во время шторма, а судно потерпело аварию.

Это была уже не первая попытка Клода использовать тепло океана для выработки электрической энергии'. Перед опытом: с трубой на судне он испытывал энергети­ческую установку на берегу океана (Атлантического). Но чтобы с берега достать холодную воду, потребовалась труба длиной около 1,8 км (по другим данным, 2,5 км). Потери напора в длинной трубе были так велики, что на них шла значительная часть мощности, которую могла выработать установка. Слишком длинная труба практи­чески не позволяла реализовать прекрасную идею. Длину трубы можно было бы значительно сократить, если смонти­ровать установку не на берегу, а на судне, трубу же опустить прямо с судна в глубину. Что и было сделано. Однако конструкция не выдержала первого шторма.

Но главное было сделано — две недели установка проработала и дала мощность 22 кВт за счет тепла океана. Правда, на собственные нужды она потребила значительно больше. Однако правильность принципа была доказана — и в этом заслуга Клода. Надо сказать, что соединить с судном трубу длиной более полукилометра — далеко не простое дело.

Удовлетворительно решить этот вопрос удалось только в конце 80-х годов нашего века, когда была создана установка мини-ОТЕС.

Клод вместе с французским ученым Бушеро сделали несколько попыток по созданию энергетических тепловых установок в разных частях Атлантического океана: в за­ливе Мантанзас на Кубе, на побережье Абиджана и в при­брежных водах Бразилии. Но ни разу им не удалось получить из океана больше энергии, чем установка потреб­ляла на собственные нужды, и поэтому для своей работы она требовала дополнительной энергии от вспомогатель­ного источника. Эта печальная особенность отчасти была связана с малой мощностью установки, из-за чего различ­ные потери составляли слишком высокий процент в общем балансе. Потерь оказалось больше, чем первоначально предполагалось.

Первым обратил внимание на громадные запасы тепло­вой энергии в океане французский ученый Жак Д'Арсон-валь более 100 лет назад (1881 г.) и теоретически показал возможность ее использования. Жоржа Клода называют его учеником, но между ними были серьезные разногласия в вопросе о выборе наилучшей жидкости в качестве рабо­чего тела для океанической тепловой машины. Этот вопрос надо было решить прежде всего. Рабочая жидкость должна закипать при температуре нагревателя, а пары ее после совершения работы в турбине должны сконденсироваться при температуре холодильника.

Нагреватель — теплая вода из верхних слоев океана. Наиболее высокая температура воды наблюдается в Пер­сидском заливе в августе — более 33 °С (а самая высокая температура воды зафиксирована в Красном море —плюс 36 °С). Но на максимальную температуру рассчитывать преобразователь нельзя: она встречается на ограниченных участках Мирового океана, а обширные районы имеют температуру поверхностного слоя около 25 °С. Это доста­точно высокая температура, при которой кипят многие жидкости. Д'Арсонваль предложил применить в качестве рабочей жидкости аммиак — жидкость с температурой кипения минус 33,4 °С, которая будет хорошо кипеть при 25 °С. При нормальной температуре (20 °С) аммиак — бесцветный газ с едким запахом. При повышении давления газообразный аммиак снова превращается в жидкость. При 20 °С для этого давление надо повысить до 8,46 атм, но при 5 °С — значительно меньше.

Выбор аммиака в качестве вторичного рабочего тела связан с отличными термодинамическими свойствами его паров. Пары аммиака имеют низкий молекуляр­ный вес, достаточно боль­шой удельный объем и хо­рошие характеристики теп­лопередачи. Они обеспечи­вают турбине вращение с большой скоростью, что очень важно. Благодаря этим качествам аммиак широко2применяется в наши дни в энергетических установках, использующих тепло океан­ских вод. При этом схема тепловой энергетической^уста­новки должна быть замкнутой, т. е.^после холодильника жидкий аммиак снова закачивается в нагреватель. Цикл непрерывно повторяется, пока работает установка. Коли­чество рабочей жидкости, залитой в систему теплового преобразователя, практически не изменяется в процессе работы. Замкнутый цикл имеет ряд преимуществ перед открытым циклом, предложенным Клодом, благодаря чему он получил широкое применение в наши дни в уста­новках OTEG.

Но Клод не захотел воспользоваться аммиаком. Он ре­шил в качестве рабочей жидкости использовать морскую воду. Чтобы добиться ее кипения при температуре поверх­ностных вод в тропиках, создал в установке пониженное давление. Если понизить атмосферное давление в 15 раз, т. е. примерно до 50 мм рт. ст., морская вода закипит при температуре не выше 27 °С. Образовавшийся пар пойдет в турбину, заставит ее вращаться и вращать элек­трогенератор. А потом пар поступит в холодильник, где с помощью холодной глубинной воды превратится в прес­ную воду. Клод спускал ее в море: тогда она была никому не нужна. Такой цикл называется открытым, или не­замкнутым.

Схема энергетической установки, работающей по этому принципу, представлена на рис. 2.2. По этой схеме была построена первая экспериментальна!! установка Клода и Бушеро.

При практической  реализации установки ее  авторы столкнулись с рядом специфических трудностей. Одна из первых — это создание низконапорной турбины.

Дело в том, что давление водяного пара, получаемого при не­высокой температуре в условиях частичного вакуума, мало. Чтобы снять сколько-нибудь заметную мощность, турбина должна иметь большие размеры. С этим затрудне­нием Клоду и Бушеро удалось справиться вполне удовле­творительно. Однако при первых же испытаниях обнаружив лась неожиданность. При нагреве из морской воды в боль­шом количестве выделялся растворенный в ней воздух, что повышало давление в системе и нарушало процесс кипения. Для поддержания достаточного разрежения систему приходилось непрерывно откачивать, на что требо­валась дополнительная мощность. В результате умень­шался и без того небольшой КПД установки. С этой проблемой изобретателям не удалось справиться. Были и другие проблемы. Поэтому в последующие годы основ­ное внимание ученых и инженеров обращалось на разра­ботку тепловых преобразователей с замкнутым циклом. Итог их усилий — действующие ныне системы OTEG.

Рис. 2.2. Схема теплоэнергетп* ческой океанской установки от­крытого цикла

1 — испаритель, г — турбина, 3 — генератор, 4 — конденсатор, 5 — пресная вода, в — теплая вода и,ч верхних слоев, 7 — холодная вода с больших глубин

Но теперь, спустя более полувека, внимание снова привлечено к открытому циклу. «Открытый цикл вызывает огромный интерес. Он устраняет все проблемы, касаю­щиеся обращения с аммиаком, фреоном и т. н. Пресная вода вырабатывается в качестве побочной продукции», — считают американские специалисты. В США разрабаты­вается океанская энергетическая установка, которая одно­временно с производством электроэнергии будет давать пресную воду — один из самых ценных в наше время продуктов, особенно в жарких и индустриальных странах, где все острее ощущается ее недостаток.

Но остаются нерешенные проблемы, в частности созда­ние больших низконапорных турбин и удаление из системы преобразователя выделяющегося из морской воды воз­духа. Ближайшей задачей считается найти такой способ удаления воздуха, чтобы на него затрачивалось не более 10 % вырабатываемой энергии. Для ее решения в схему энергетической   установки   включается   деаэратор — камера, в которой морская вода будет дегазироваться перед поступлением в нагреватель.

Теоретически оба вида преобразователей — с откры­тым и закрытым циклом — имеют близкие и одинаково малые  коэффициенты  полезного  действия.

Примем температуру нагревателя T1=273+25=298 К, температуру холодильника T2=273+5=278 К. Согласно формуле Карно КПД будет равен

nk==(T1-T2)/T1=(298-278)/298=0,067, или 6,7 %,

Полученная цифра еще недавно считалась близкой к теоретическому пределу КПД для океанской тепловой машины при принятых значениях температуры нагрева­теля и холодильника (как и для любой другой). Но не­давно было показано 2, что из-за специфических особен­ностей преобразования энергии тепла в океане теоретиче­ский КПД теплового цикла в этом случае следует оценивать по формуле n0=(T1-T2)/(T1+T2)

При малом значении разности температур ^T=T1— Т2 КПД океанской тепловой машины может быть вдвое меньше теоретического значения, вычисленного по фор­муле Карно, т. е.

n0=1/2nk

Поправка весьма существенная. Фактически КПД пре­образователя в любом случае будет еще меньше из-за неизбежных потерь в теплообменниках, насосах, трубо­проводах и др. Величина потерь будет зависеть от степени совершенства конструкции тепловой машины. Для пре­образователей с замкнутым циклом реальным считается получение КПД в пределах до 2—3 %. Эти цифры близки к КПД отвергнутого паровоза. Но он сжигал драгоценное топливо, а здесь энергия вырабатывается за счет дарового тепла океана, топлива не требуется.

Интересно отметить переоценку значения малых цифр КПД, происшедшую за последние полвека. Пятьдесят лет назад теоретическое значение КПД около7% считалось

ничтожным и едва ли заслуживающим внимания. В наше же время строятся мощные океанские энергоцентрали с КПД примерно в половину этой величины. Существен­ного улучшения КПД можно ожидать только при исполь­зовании в океанских тепловых энергоцентралях большего перепада температуры между нагревателем и холодильни­ком. Принципиально такая возможность имеется. В раз­ных районах на дне океана обнаружены места, где раз­ность температуры воды значительно превышает принятые .для расчета 20 °С. Например, в термальных впадинах на дне Красного моря температура воды достигает 60 СС, к тому же она ежегодно несколько повышается. А на дне Тихого океана бьют гидротермальные источники с тем­пературой более 350 °С, как в котле вполне современной ТЭЦ высокого давления. Вблизи от этих горячих источ­ников имеется вода с низкой температурой, пригодная для холодильника. При использовании такой воды воз­можно получение КПД океанской установки, как у луч­ших наземных ТЭЦ высокого давления. Однако примене­ние горячих гидротермальных вод для выработки электри­ческой энергии потребует особой технологии.

СИСТЕМЫ ОТЕС

В августе 1979 г, вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с поло­виной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если не считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная — 53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точ­нее — на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабаты­ваемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты энергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.

Три насоса потребовались из следующего расчета: один — для подачи теплой воды из океана, второй — для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий — для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т. е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочей жидкости применяется аммиак,

Установка мини-ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Труба сваривалась на берегу из 58 секций. Выбор полиэтилена связан с тем, что он как будто не подвержен обрастанию и, следовательно коррозии (создание 700-метрового трубо­провода было самым трудным делом). Трубопровод при­креплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случае необходимости ого быстрое отсоеди­нение. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба—судно. Оригиналь­ность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма серьезной пробле­мой.

Впервые в истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полу­ченный при эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро достроить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще более мощ­ных систем подобного типа.

ОТЕС-1 — плавучая лаборатория: как и мини-ОТЕС, она не предназначена для коммерческой выработки элек­трической энергии, хотя ее мощность достигает 1 МВт, т. е. в 20 раз больше, чем у мини-ОТЕС. В качестве вто­ричного рабочего тела в ОГЕС-1 также применяется аммиак. Питательный насос забирает воду из поверх­ностного слоя океана с температурой 27 °С и прогоняет ее через нагреватель аммиака, состоящий из 6304 титано­вых трубок диаметром 2 см. Это — паровой котел уста­новки. Аммиак распыляется в теплых трубках и вскипает. Пар аммиака идет в турбину и вращает ее, а оттуда, со­вершив работу, поступает в конденсатор — холодильник. Конденсатор также сделан из тонких трубок, охлаждаемых водой с температурой немного более 4 °С. Там пары аммиака конденсируются и превращаются снова п жидкость, пере­качиваемую обратно и испаритель. Общая длина трубок в двух теплообменниках (испарителе и конденсаторе) составляет 140 км.

Под установку ОТЕС-1 переоборудован танкер с турбо-электрическим приводом. Электрическая силовая уста­новка танкера позволяет с удобством использовать ее энергетические ресурсы во время проведения различных экспериментов для привода насосов и других целей. На этой установке предполагается проверить некоторые эксплуатационные характеристики ОТЕС, чтобы в даль­нейшем их можно было использовать при создании опыт­ного образца. Число вопросов, подлежащих изучению, достаточно велико. К ним относятся, например, следую­щие. Какого типа теплообменники будут  оптимальными и из какого материала их следует делать? Титан — дорог, нельзя ли его заменить на алюминий или что-нибудь другое? Как быстро будут развиваться морские оргаппзмы-обрастатели в теплообменниках и в других частях системы и как с ними бороться? Как повлияют на состояние окру­жающей морской среды мощные установки такого типа? Как лучше выполнить трубопровод для подъема хо­лодной воды?

Последний вопрос становится традиционным для кон­структоров всех установок ОТЕС. Для OTEG-1 он был решен в пользу применения трех параллельных поли­этиленовых труб диаметром 1 м каждая, длиной но 900 м. Трубы были доставлены на Гавайские острова секциями длиной по 27 м и сварены на берегу. Потом все три трубы были связаны вместе и уложены на тележки, установлен­ные на специальном рельсовом пути, спускающемся прямо в океан. Суммарная масса трубопровода достигла 450 т, укладка его на тележки была выполнена с помощью лебедки. Для закрепления нижнего конца трубопровода вблизи дна потребовалось 50 т балласта. А для поддержа­ния трубопровода в вертикальном положении его верх­ний конец окружен плавучим кольцом, имеющим буй, к которому прикреплен прочный конец; с его помощью трубопровод можно несколько перемещать. Такой способ крепления верхнего конца трубы к днищу судна позволил очень быстро (за 2 часа) произвести постановку трубы в океане. Так же просто происходит и разъединение трубопровода холодной воды с судном, если возникает сильное волнение или по какой-либо друюй при­чине.

Конструкторы установки ОТЕС-1 ввели между трубо­проводом холодной воды и судном новую деталь, которая сделала всю систему более надежной. Речь идет о кардан­ном подвесе трубы к судну. При наличии кардана судно может произвольно качаться на волнах при относительно малоподвижном длинном трубопроводе, если волны не слишком велики (не более 2 м). А если волнение увеличи­вается, судно отцепляется от трубы и уходит в укрытие.

Страницы: 1, 2, 3, 4