3. Енергія теплоти океану

Світовий океан — найбільший природний колектор сонячного випромінювання. У ньому між теплими, поглинаючими сонячне випромінювання поверхневими водами і холоднішими придонними досягається різниця температур в 20°С. Це забезпечує безперервно поповнюваний запас теплової енергії, яка принципово може бути перетворена на інші види. Сам термін перетворення теплової енергії океану ОТЕС— ocean thermal energy conversion— означає перетворення деякої частини цієї теплової енергії в роботу і далі в електроенергію.

Ocean Thermal Energy Conversion

Класифікація: Закритого типу, відкритого типу, комбіновані.

На рисунку 1.19 приведена схема однієї з установок, що дозволяють здійснити процес такого перетворення. По суті — це теплова машина, що наводиться в дію різницею температур між «холодною» Т_с -водою, піднятою з відповідної глибини, і «гарячою» водою з температурою Т_h = Т_с + ΔТ, забраною з поверхні. Робоча рідина (робоче тіло), циркулюючи за замкнутою схемою, відбирає тепло від гарячої води в теплообміннику випарника, в паровій фазі наводить в дію турбіну, пов'язану з генератором, а потім конденсується в охолоджуваному холодною водою конденсаторі. На цьому цикл завершується.

Рисунок 3.1 – Схема перетворення теплової енергії океану. Теплова машина використовує перепад температур між поверхневими і глибинними водами океану

Енергія теплоти океану

Нижче в деталях обговорюються лише системи, що працюють по замкнутому циклу. Можна уявити собі і інші системи, що наприклад використовують як робоче тіло саму морську воду і що працюють по відкритому циклу. Проте викладені тут і в надалі фізичні і географічні відомості можуть бути застосовані до будь-яких систем ОТЕС.

Почнемо з визначення Р₀ — потужності, що віддається теплою водою в ідеальній системі. Допустимо, що потік теплої води з об'ємною витратою Q поступає в систему при температурі Т_h і покидає її при температурі Т_с (температура холодних глибинних вод). При визначенні Р₀ ми, вочевидь, робимо припущення про ідеальний теплообмінник. У такій системі, що ідеалізується, при ΔТ = Т_h — Т_с

На основі другого початку термодинаміки максимальна механічна потужність, яку можна отримати від перетворення теплового потоку,

де

є ККД ідеальної теплової машини Карно, що працює при перепаді температур між Т_h і Т_с= Т_h– ΔТ. Безумовно, вихід в разі реальної системи буде істотно нижчий, ніж Р₁. Реальні теплові машини працюють не по циклу Карно, швидше, їх цикл ближче до ідеального циклу парової турбіни Ренкина. Проте ці вирази дозволяють проілюструвати можливості і обмеження ОТЕС. Згідно (1) — (3) ідеальна механічна вихідна потужність перетворювача теплової енергії рівна

Таким чином, для здобуття значних потужностей потрібні істотні потоки води навіть для випадку максимально можливого в океані перепаду температур. Це у свою чергу вимагає вживання громіздких і відповідно дорогих технічних засобів.

Зважаючи на те, що Р₁ залежить від квадрата ΔТ досвід підказує економічну привабливість ідеї ОТЕС лише в районах, де ΔТ≥15° С. Такі райони лежать в тропіках. Активно ведуться дослідження з проблеми ОТЕС на острові Гавайї (20° північної широти, 160° західної довготи), на острові Науру (0° північної широти, 166° східної довготи), в течії Гольфстрім поблизу півострова Флорида. У тропічних районах Т_h і Т_смало змінюються від сезону до сезону, що повинне забезпечувати стабільне виробництво енергії протягом всього року.

Безумовно, стабільність і незалежність від капризів погоди — головні переваги ОТЕС як поновлюваного джерела енергії. Нижче перераховані інші важливі переваги ОТЕС.

1) У відповідних для розміщення перетворювачів районах обмеження на значення перетворюваних ресурсів накладають лише розміри установок.

2) Створення економічно виправданих установок вимагає лише деякого доопрацювання таких широко апробованих пристроїв, як теплообмінники і турбіни. Жодних абсолютно нових або технічно неможливих пристроїв не потрібно.

Головні недоліки — вартість і масштаби установок. Якби удалося досягти фактичної потужності Р₁, то вартість стала б мінімальною, але принципові обмеження накладають необхідність враховувати в'язкість рідин і недосконалість теплообмінників. Приведені питомі витрати на створення однієї не так давно запущеної експериментальної океанської термальної електростанції (ОТЕС, не плутати з латинською ОТЕС) склали 40 000 долл/кВт встановленої потужності. Проте аналіз, показує, що великомасштабні серійні ОТЕС будуть значно економічнішими, що робить саму концепцію ОТЕС гідною уваги. Відповідні роботи активно ведуться в США, Франції і Японії.

Один з чинників збільшення вартості систем ОТЕС — дорожнеча їх обслуговування у відкритому морі і передачі енергії на берег. Проте існують прибережні райони, де дно різко падає і устаткування ОТЕС може бути розміщене на суші. Одне з таких місць — острів Науру в південній частині Тихого океану.

Науці відомі три типи установок: з відкритим циклом, із закритим циклом і гібридним. Основна з них, установка з відкритим циклом, розроблялася більше ста років тому. Усі три існуючі типи передбачають підйом холодної води до поверхні океану. Але оскільки для роботи в умовах океану інтерес можуть представляти тільки великі теплові гідроелектростанції потужністю від 1000 МВт, та кількість води, необхідної для роботи таких станцій, повинна вимірюватися десятками і сотнями мільйонів тон в годині. Така кількість води при підйомі на поверхню вимагає багато енергії і при цьому здатна виділити в атмосферу велику кількість розчинених на глибині шкідливих газів.

Резюмуючи, можна виділити головні недоліки існуючих установок:

1. Великі енергетичні втрати на транспортування сировини з глибини, що дозволяють установкам працювати при різниці температур не нижче 20^oС.

2. Складність подачі сировини, що обмежує обсяги виробництва.

3. Необхідність мати стартові енергетичні потужності.

4. Проблеми, пов'язані з виділенням вуглекислого газу, розчиненого в глибинних шарах океану.

Саме через ці недоліки проведені експериментальні роботи по освоєнню теплової енергії океану привели лише до дуже скромних результатів на малопотужних установках, працюючих з позитивним виходом енергії при температурному градієнті не нижче 20^oС.

Перейти до початку посібника