Тепловая энергия океана: Тепловая энергетика океана

Содержание

Тепловая энергетика океана

Впервые идея преобразования тепла океана OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) в электрическую энергию была предложена в 1881 году французским физиком д’Арсонвалем. Такие ОТEС работают по замкнутому циклу Ренкина: теплые поверхностные воды прокачиваются через испаритель, превращая в пар рабочее тело с низкой температурой кипения (аммиак), который затем поступает через турбогенератор в холодильник, где конденсируются, охлаждаемые путем прокачки через теплообменник холодной воды с большой глубины.

При разности температуры воды в 24°С для получения 1 МВт «полезной» мощности через теплообменники ОТЕС должно пройти не менее 40 МВт тепловой мощности, что требует огромных расходов воды. Но, несмотря на это, технологии ОТЕС привлекательны своей доступностью в тропической зоне океана в режиме 24 часа в сутки, семь дней в неделю, 365 дней в году. Надежность, долгий срок эксплуатации и несомненные экологические преимущества делают ОТЕС перспективной темой развития энергетики на базе использования возобновляемых источников энергии.

Первую опытную ОТEС, но на базе другой технологии – открытого теплового цикла, с морской водой в качестве рабочей жидкости – предложил французский инженер Ж. Клод, который в 1928 году создал и испытал ее в море на северном побережье Кубы. Это была вакуумно-водяная ОТЕС, развивавшая 22 кВт электрической мощности и вырабатывавшая при этом пресную воду.

Несмотря на несколько неудачных проектов Франции, в 60-х годах интерес к ОТЭС возник в США. Ожидалось, что рост цен на нефть в этот период обусловит рентабельность нового источника энергии. Бюджет США на протяжении пятнадцати лет субсидировал исследования в области ОТEС в суммах, исчисляющихся сотнями миллионов долларов. В 1979 году концерном Lockheed Martin при поддержке ВМС США была создана и испытана у берегов Гавайев первая в мире плавучая мини-ОТЕС замкнутого цикла выходной мощностью 18 кВт. Она была размещена на барже, а охлаждающая вода температурой 4 °С подавалась с глубины 670 м по полиэтиленовому трубопроводу диаметром 60 см. Через год там же провели испытания демонстрационной ОТЕС-1 замкнутого цикла мощностью 1 МВт, созданной космической корпорацией TRW defence & space. Эксперименты дали положительные результаты и продемонстрировали возможность работы плавучей ОТЕС при передвижении в тропических водах с малой скоростью.

Там же, на Гавайях, в 80-х годах был создан береговой центр «Национальная энергетическая лаборатория» (NELHA), оснащенный системой подачи воды с глубины по нескольким трубопроводам. В 1991 году Институт океанологии АН СССР подписал соглашение с Институтом океанографии Кубы о создании на острове Международной лаборатории энергетики океана, аналогичной NELHA, но изменившаяся политическая ситуация перечеркнула этот проект. В 1993 году в NELHA была создана демонстрационная ОТЕС открытого цикла полезной мощностью 103 кВт и с одновременным выходом 1440 л/ч пресной воды, что до сих пор является максимальными показателями производительности, полученными от ОТЕС.

Компания «Тошиба» в 1981 году создала на острове Науру демонстрационную береговую ОТЕС замкнутого цикла полезной мощностью 31 кВт, и там же было начато строительство ОТЕС мощностью 5 МВт. Уже тогда специалисты считали, что ОТЕС может составить конкуренцию традиционным источникам, если цены на нефть возрастут до 40 долларов/баррель. Однако снижение цен на природное топливо остановило эти работы, так же как и аналогичные проекты США, Великобритании, Европы, Индии и Тайваня. В СССР в разработке проектов ОТЕС участвовали ИО АН СССР, ИПМТ (г. Владивосток) и ряд других организаций, но в современной России эти работы прекратились и не проводятся.

За рубежом, несмотря на снижение государственной поддержки, исследования по использованию тепловой океанской энергии все же продолжились. В 1991 году была создана Международная ассоциация OTEC/DOWA с центральным офисом на острове Тайвань, которая объединила многих специалистов из разных стран, прежде всего для разработки масштабного проекта демонстрационной ОТЕС в водах острова. В Японии были экспериментально исследованы для ОТЕС новые тепловые циклы Калина и Уэхара, в гавайской лаборатории NELHA разрабатывались гибридные схемы ОТЕС и проводились испытания трубопроводов, насосов и теплообменников, на полигоне индийского Института океанских технологий (NIOT) изучались новые элементы ОТЕС. В подобных работах постоянно участвовало несколько американских компаний во главе с военно-промышленным концерном Lockheed Martin Corp., который уже около сорока лет планомерно занимается разработками технологий ОТЕС для создания плавучих баз ВМС США и в коммерческих целях.

Первая в мире плавучая мини-ОТЕС замкнутого цикла с выходной мощностью 18 кВт была размещена на барже

Международная панорама современных достижений

Максимальный коэффициент эффективности ОТЕС не превышает 8%, но до сих пор было достигнуто менее 3%. Поэтому основной задачей развития таких технологий является повышение эффективности установок за счет совершенствования теплообменников и других основных элементов, снижения собственных затрат, разработки экономичных способов создания и размещения в океане трубопроводов холодной воды.

Развитие новых технологий и преемственность ОТЕС инновациям в нефтяной и газовой промышленности делает их конкурентоспособными, особенно на фоне роста стоимости природного топлива и электроэнергии в развивающихся прибрежных государствах и на отдаленных островах. Этому также способствует необходимость обеспечения экологической безопасности и геополитические причины.

В 2011 году американская корпорация Lockheed создала теплообменник для ОТЕС с улучшенными характеристиками, используя новейшую технологию сварки, применявшуюся корпорацией при производстве космического челнока Orion и корабля береговой обороны Little Rock. Затраты на новый теплообменник оказались вполовину меньше прежних расходов. Также в 2011 году корпорация запатентовала способ наращивания трубопровода холодной воды с плавучей платформы ОTEC в глубину прямо в открытом океане. Эта технология позволяет создать трубу из композитных материалов диаметром 10 м и длиной около километра структурно одним целым, что обеспечивает максимальную надежность конструкции в экстремальных условиях работы. Недавно Окриджская лаборатория разработала технологию на основе графитовой пены с высокой теплопроводностью, позволяющей в два раза увеличить эффективность теплообменника и значительно уменьшить его размеры.

Правительство США в 2009 году выделило Lockheed Martin первый грант в сумме 12,5 млн долларов на строительство плавучей ОТЕС мощностью 10 МВт в гавайских водах. Этот проект представлен как первый шаг на пути к созданию установок мощностью 100 МВт около Гавайев, а затем в водах Пуэрто-Рико, а также возле американских военных баз на островах Диего-Гарсия, Маршалловых островах и острове Гуам.

В 2011 году компания ОТЕС International LLC (США) приступила к созданию на территории NELHA береговой демонстрационной ОТЕС мощностью 1 МВт и разрабатывает проект строительства на Гавайях прибрежной ОТЕС на 100 МВт.

Американская компания Ocean Thermal Energy планирует построить на Багамских островах две ОТЕС мощностью 10 МВт каждая. Большим достижением США является подписание в 2013 году соглашения между концерном Lockheed Martin и пекинской компанией Reignwood о создании и размещении на юге Китая к 2017 году первой в мире коммерческой плавучей ОТЕС мощностью 10 МВт.

В 2009 году во Франции военная судостроительная корпорация DCNS приступила к проекту создания нескольких ОТЕС на острове Реюньон. Проект первой ОТЕС мощностью 1,5 МВт финансирует французское правительство на сумму 5 млн евро. Для береговых испытаний на острове построена станция PATETM, подобная HELHA, но гораздо меньшая по размерам и возможностям. Создание основных элементов ОТЕС ведется на верфи корпорации в Нанте с дальнейшей транспортировкой на Реюньон, где в 2015 году планируется окончательная сборка энерго­установки. В начале 2010 года корпорация DCNS подписала соглашение о разработке проекта ОТЕС для тихоокеанского острова Таити, а затем заключила аналогичное соглашение о создании на острове Мартиника плавучей ОТЕС мощностью 10 МВт. Корпорация DCNS разработала долгосрочную программу по возобновляемой энергетике океана (тепло, течения, ветер в открытом море) и для этой цели создала Центр океанской энергетики в городе Бресте. Успех этой программы гарантируется передовыми технологиями и большими производственными возможностями корпорации.

В Японии при университете города Сага в 2003 году был образован Институт энергетики океана (IOES). Сегодня он является одним из мировых центров, где патентуются и исследуются различные технологии преобразования тепловой энергии океана, например многоступенчатые гибридные циклы. Внедренческими работами IOES занимается дочерняя компания Xenesys Inc., главным направлением деятельности которой является создание ОТЕС с использованием тепла сбросовых промышленных вод для Японии, Индии, Французской Полинезии и других стран. В 2013 году на острове Кума (Окинава) была введена в эксплуатацию первая в мире коммерческая ОТЕС мощностью 50 кВт, производящая одновременно с электричеством различную продукцию по океанским технологиям.

Ведущие страны в области тепловой океанской энергетики начали налаживать кооперационные связи и обмен технологическими достижениями. Так, осенью 2013 года в Гонолулу (США) прошел первый Международный симпозиум по ОТЕС по вопросам геополитики, финансов, инвестиций, технологий, перспективных проектов и т.п., где участвовали эксперты из Японии, Южной Кореи, США, Франции, Нидерландов, Малайзии, Филиппин. Второй Международный симпозиум по OTEC будет проведен в 2014 году в Пусане (Южная Корея). Как дополнение к ежегодным симпозиумам в США и Корее в Швеции в 2013 году была проведена Международная конференция «ОТЕС Африки». Большие перспективы для обеспечения африканских стран электричеством и пресной водой на базе ОТЕС имеются у Нигерии, Танзании, Мозамбика и Кении, а также в Западной Африке. Активное участие в работе конференции приняли специалисты Швеции, Норвегии, Бельгии, Нидерландов, Великобритании, Японии и Италии.

Помимо электроэнергии, ОТЕС может производить большие объемы пресной воды, в которой человечество нуждается все острее. Так, например, гибридные ОТЕС мощностью 50 МВт могут давать 62 тыс. куб. м пресной воды в день, что обеспечивает потребности около 30 тыс. человек. Кроме того, при помощи ОТЕС мощностью 100 МВт можно путем электролиза производить около 32 тонн в сутки жидкого водорода для использования его в качестве экологически чистого топлива. В настоящее время капитальные затраты для ОТЕС замкнутого цикла мощностью 10 МВт оцениваются в среднем в сумму около 10 тыс. долларов США за кВт, а стоимость электроэнергии от них – около 0,2 цента за кВт·ч (7,5 руб­ля). Дополнительное производство пресной воды, водорода или аммиака может обеспечить существенное снижение этих показателей.

России создание ОТЕС может быть интересно для размещения в Мировом океане плавучих пунктов материально-технического обеспечения судов (пополнение запасов, предоставление отдыха экипажам и ремонта судов), энергообеспечения районов добычи сульфидных руд и конкреций, развития экономических связей и с гео­политической точки зрения.

Александр Горлов,
руководитель проекта «Энергетика океана» Института океанологии им П.П. Ширшова РАН

Тепловая энергия мирового океана — Тепловая энергия океана

Новая энергетика —

Тепловая энергия океана

В наши дни, когда возросла необходимость в новых видах топлива, океанографы, химики, физики, инженеры и технологи обращают все большее внимание на океан как на потенциальный источник энергии.

В океане растворено огромное количество солей. Может ли соленость быть использована, как источник энергии?

Может. Большая концентрация соли в океане навела ряд исследователей Скриппского океанографического института в Ла-Колла (Калифорния) и других центров на мысль о создании таких установок. Они считают, что для получения большого количества энергии вполне возможно сконструировать батареи, в которых происходили бы реакции между соленой и несоленой водой.

Температура воды океана в разных местах различна. Между тропиком Рака и тропиком Козерога поверхность воды нагревается до 82 градусов по Фаренгейту (27 C). На глубине в 2000 футов (600 метров) температура падает до 35,36,37 или 38 градусов по Фаренгейту (2-3.5 С). Возникает вопрос: есть ли возможность использовать разницу температур для получения энергии? Могла бы тепловая энергоустановка, плывущая под водой, производить электричество?

Да, и это возможно.

В далекие 20-е годы нашего столетия Жорж Клод, одаренный, решительный и весьма настойчивый французский физик, решил исследовать такую возможность. Выбрав участок океана вблизи берегов Кубы, он сумел-таки после серии неудачных попыток получить установку мощностью 22 киловатта. Это явилось большим научным достижением и приветствовалось многими учеными.

Используя теплую воду на поверхности и холодную на глубине и создав соответствующую технологию, мы располагаем всем необходимым для производства электроэнергии, уверяли сторонники использования тепловой энергии океана. Согласно нашим оценкам, в этих поверхностных водах имеются запасы энергии, которые в 10 000 раз превышают общемировую потребность в ней .

Увы, — возражали скептики, — Жорж Клод получил в заливе Матансас всего 22 киловатта электроэнергии. Дало ли это прибыль? Не дало, так как, чтобы получить эти 22 киловатта, Клоду пришлось затратить 80 киловатт на работу своих насосов.

Сегодня профессор Скриппского института океанографии Джон Исаакс делает вычисления более аккуратно. По его оценкам, современная технология позволит создавать энергоустановки, использующие для производства электричества разницу температур в океане, которые производили бы его в два раза больше, чем общемировое потребление на сегодняшний день. Это будет электроэнергия, производимая электростанцией, преобразующей термальную энергию океана (ОТЕС).

Конечно, это — прогноз ободряющий, но даже если он оправдается, результаты не помогут разрешению мировых энергетических проблем. Разумеется, доступ к запасам электроэнергии ОТЕС предоставляет великолепные возможности, но (по крайней мере пока) электричество не поднимает в небо самолеты, не будет двигать легковые и грузовые автомобили и автобусы, не поведет корабли через моря.

Однако самолеты и легковые автомобили, автобусы и грузовики могут приводиться в движение газом, который можно извлекать из воды, а уж воды-то в морях достаточно. Этот газ — водород, и он может использоваться в качестве горючего. Водород — один из наиболее распространенных элементов во Вселенной. В океане он содержится в каждой капле воды. Помните формулу воды? Формула HOH значит, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Извлеченный из воды водород можно сжигать как топливо и использовать не только для того, чтобы приводить в движение различные транспортные средства, но и для получения электроэнергии.

Все большее число химиков и инженеров с энтузиазмом относится к водородной энергетике будущего, так как полученный водород достаточно удобно хранить: в виде сжатого газа в танкерах или в сжиженном виде в криогенных контейнерах при температуре 423 градуса по Фаренгейту (-203 С). Его можно хранить и в твердом виде после соединения с железо-титановым сплавом или с магнием для образования металлических гидридов. После этого их можно легко транспортировать и использовать по мере необходимости.

Еще в 1847 году французский писатель Жюль Верн, опередивший свое время, предвидел возникновение такой водородной экономики. В своей книге Таинственный остров он предсказывал, что в будущем люди научатся использовать воду в качестве источника для получения топлива. Вода, — писал он, — представит неиссякаемые запасы тепла и света .

Со времен Жюля Верна были открыты методы извлечения водорода из воды. Один из наиболее перспективных из них — электролиз воды. (Через воду пропускается электрический ток, в результате чего происходит химический распад. Освобождаются водород и кислород, а жидкость исчезает.)

Добавить комментарий

Часто задаваемые вопросы

Что такое Ocean Thermal Energy Corporation?

Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) планирует строить и эксплуатировать экологически чистые гидротермальные энергетические установки по всему миру с использованием проверенных технологий преобразования тепловой энергии океана (OTEC) и кондиционирования воздуха морской/озерной воды (SWAC/LWAC). OTE ведет свою историю с 1988 года и имеет многопрофильную команду опытных корпоративных руководителей, ученых и океанских инженеров, а также прочные стратегические союзы с ведущими корпорациями и финансовыми учреждениями. Штаб-квартира в Ланкастере, штат Пенсильвания. OTE имеет офисы в Пенсильвании и на Виргинских островах США.

Что такое преобразование тепловой энергии океана (OTEC)?

Преобразование тепловой энергии океана, известное как «OTEC», представляет собой научно проверенную систему получения чистой, базовой нагрузки (24 часа в сутки, 7 дней в неделю) возобновляемой энергии без использования ископаемого топлива. OTEC идеально подходит для тропических и субтропических регионов мира, где проживает три миллиарда человек.

80% солнечной энергии хранится в поверхностных водах мирового океана и ежедневно пополняется.

OTEC подключается к этому огромному возобновляемому источнику энергии, используя разницу температур между теплой поверхностной водой и холодной океанской водой для производства экологически чистой электроэнергии. Не менее важно, что OTEC может использовать часть своей электроэнергии для работы прилегающих установок по опреснению воды, таким образом производя обильные объемы пресной питьевой воды . Эта вода может быть использована для питья, разведения рыбы, аквакультуры и сельского хозяйства.

Как работает OTEC?

В системе OTEC с замкнутым циклом океанская вода течет по двум большим трубам: по трубе для теплой воды, содержащей поверхностные воды, которые ежедневно нагреваются солнцем; и труба с холодной водой, содержащая холодную воду из глубин океана. Тепло поверхностных вод используется для кипячения рабочей жидкости с низкой температурой кипения с образованием пара, который, в свою очередь, приводит в действие турбогенератор для производства электроэнергии. Затем холодная глубинная вода используется для конденсации пара обратно в жидкую форму, что позволяет системе непрерывно повторять этот процесс, вечно подпитываемый надежным ежедневным нагревом поверхностных вод солнцем.

Что такое кондиционирование воздуха с морской/озёрной водой (SWAC/LWAC)?

Системы кондиционирования воздуха с морской/озёрной водой используют холодную океанскую воду в качестве экологически чистого хладагента для крупномасштабных нужд кондиционирования воздуха, включая курорты, отели и центры обработки данных.

С ненаучной точки зрения, установку SWAC/LWAC можно рассматривать как «половину установки OTEC», что означает, что в то время как установка OTEC имеет две   трубы (одна труба для теплой воды и одна труба для холодной воды ), на заводе SWAC/LWAC всего одна  труба, труба для холодной воды, которая поднимает холодную океанскую воду. Эта холодная глубокая вода используется в качестве чистого хладагента для кондиционирования воздуха, что снижает потребление электроэнергии на 80-90% по сравнению с обычным кондиционером и экономит миллионы долларов на счетах за электроэнергию типичного клиента в течение срока действия контракта.

Чем OTEC отличается от других возобновляемых источников энергии?

Двумя способами. Во-первых, хотя современные возобновляемые технологии, такие как солнечная и ветровая энергия, должны сыграть важную роль в будущем глобального энергоснабжения, они носят непостоянный характер, в отличие от OTEC, которая работает круглосуточно и без выходных, обеспечивая постоянную поставку энергии. Ветер и солнце работают, когда дует ветер или светит солнце. OTEC, с другой стороны, работает 24/7 и будет продолжать работать до тех пор, пока солнце ежедневно нагревает поверхностные воды тропических и субтропических океанов мира. В условиях экспоненциального роста населения мира и индустриализации для удовлетворения этих потребностей необходимо больше энергии, работающей круглосуточно и без выходных. Во-вторых, что не менее важно, OTEC намного больше, чем просто возобновляемая энергия, работающая круглосуточно и без выходных. Его также можно использовать для производства больших объемов пресной питьевой воды, устойчивого производства продуктов питания и экономического развития.

Уникальный пакет энергии, воды и продуктов питания OTEC — предметы первой необходимости для всех людей — означает, что OTEC может предоставить сообществам по всему миру  устойчивую независимость   на основе их самого богатого местного ресурса: океана.

Почему OTEC и SWAC/LWAC теперь экономически выгодны?

Есть две причины. Во-первых, цены на нефть характеризуются огромными колебаниями. На самом деле недавнее падение цен на нефть лишний раз доказывает дикую волатильность и непредсказуемость цен на нефть. Эта волатильность тщательно рассмотрена в статье Politico от 8 мая 2020 г., озаглавленной 9.0051 Чистая энергетика сейчас является выгодным вложением. Согласно статье, обвал цен на нефть в начале 2020 года и пандемия коронавируса «….делают возобновляемые источники энергии удивительно привлекательной инвестиционной перспективой на фоне текущих низких цен на нефть. Возобновляемые источники энергии — это один из способов достижения более строгих климатических целей, и впервые они не являются дорогой роскошью. «В прошлом снижение цен на нефть наносило ущерб возобновляемым источникам энергии, но сегодня возобновляемые источники энергии являются экономически эффективным выбором в двух третях мира». Это означает, что вместо того, чтобы отказаться от возобновляемых источников энергии из-за падения цен на нефть, в 2020 году они станут единственной жизнеспособной долгосрочной инвестицией в энергетику» 9.0005

Эти причины могут объяснить, что так много клиентов OTE для OTEC и SWAC/LWAC продолжают с нетерпением искать информацию о нашей системе как о средстве стабилизации стоимости энергии.

Во-вторых, технологические достижения в глубоководных трубопроводах морской нефтяной промышленности сделали крупногабаритные прочные трубы коммерчески доступными для заводов OTEC. Благодаря этим двум разработкам OTEC становится прибыльной, в то время как SWAC/LWAC уже коммерциализированы и успешно работают в нескольких местах по всему миру. Обе эти хорошо зарекомендовавшие себя технологии могут также помочь производить большое количество пресной питьевой воды, значительно сократить выбросы углерода и потенциально сэкономить клиентам миллионы долларов на затратах на энергию на соответствующих рынках.

Где клиенты ОТЕ?

OTE вызвала интерес у многих клиентов по всему миру к установкам OTEC и SWAC/LWAC, которые расположены в тропических и субтропических регионах мира, таких как Карибский бассейн, Африка, Азия и другие регионы. Растущий интерес к возобновляемым источникам энергии и чистой, здоровой окружающей среде во всем мире обеспечил нам большое количество заинтересованных потенциальных клиентов.

OTE собирается самостоятельно создавать системы? Или OTE — это «консалтинговая компания», в которой другие владеют окончательным проектом, а OTE проектирует, строит и управляет чужим активом?

Бизнес-модель OTE заключается в проектировании, создании, владении и эксплуатации систем OTEC и SWAC/LWAC на наших рынках. OTE сотрудничает с ведущими инженерными, закупочными и строительными компаниями (EPC), которые заинтересованы в создании этих систем для нас.

Каким будет первый проект OTE?

Компания OTE провела много лет, изучая и разрабатывая планы систем OTEC и SWAC. Совсем недавно крупный оборонный подрядчик нанял OTE для разработки планов строительства завода SWAC для вооруженных сил США. OTE поддержала первый этап этого энергосберегающего проекта.

OTE находится на стадии планирования OTEC EcoVillage, который, как мы надеемся, станет первым из многих. Это будет первая разработка такого рода в мире, предлагающая нулевой углеродный след. Проект OTEC EcoVillage состоит, в частности, из завода OTEC, который будет обеспечивать электроэнергией и водой около 400 жилых домов, гостиницу и торговый центр, а также моделей устойчивого сельского хозяйства, производства продуктов питания и других экономических разработок. Комиссия по коммунальным услугам Виргинских островов США предоставила OTE нормативное разрешение на строительство завода OTEC, и OTE определила конкретные участки земли для этого объекта. Завершен первый проект Генерального плана всей застройки. Это будет пилотный проект OTE, запущенный, чтобы доказать жизнеспособность технологии OTEC для обеспечения доступных возобновляемых источников энергии для целых сообществ. Компания считает, что этот проект стоимостью 700 миллионов долларов может быть очень прибыльным и принести значительную прибыль ее акционерам.

 

На сегодняшний день завершила ли OTE проект? Существует ли в настоящее время действующая система, которую можно использовать в качестве демонстрационной?

В Лаборатории природной энергии на Гавайях (NELHA) построена и находится в непрерывной эксплуатации демонстрационная установка. Инженеры OTE были частью команды, которая построила этот проект, спонсируемый Министерством энергетики США. Этот завод является единственной системой OTEC в мире, подключенной к энергосистеме США.

Тепловая энергия океана — Жидкая сеть

Краткий обзор технологии преобразователей тепловой энергии океана (OTEC), которые получают энергию от перепада температур в океане

В этом обзоре технологий.

..