Преобразование тепловой энергии океана ( OTEC ) — это технология возобновляемой энергии , которая использует разницу температур между теплыми поверхностными водами океана и холодными глубинами для работы теплового двигателя для производства электроэнергии . Это уникальная форма производства чистой энергии , которая может стать постоянным и устойчивым источником энергии. Несмотря на трудности, которые необходимо преодолеть, OTEC может стать постоянным и устойчивым источником чистой энергии, особенно в тропических регионах с доступом к глубоководным водам океана .
OTEC использует температурный градиент океана между более холодными глубинными и более теплыми мелководными или поверхностными водами для работы теплового двигателя и производства полезной работы , обычно в форме электроэнергии . OTEC может работать с очень высоким коэффициентом мощности и, таким образом, может работать в режиме базовой нагрузки .
Более плотные массы холодной воды, образованные взаимодействием поверхностных вод океана с холодной атмосферой в весьма специфических районах Северной Атлантики и Южного океана , погружаются в глубоководные впадины и распространяются по всему глубокому океану посредством термохалинной циркуляции . Подъем холодной воды из глубин океана восполняется нисходящим движением холодной поверхностной морской воды.
Среди источников энергии океана OTEC является одним из постоянно доступных возобновляемых источников энергии , который может способствовать обеспечению базовой нагрузки. [1] Потенциал ресурсов для OTEC считается намного большим, чем для других форм энергии океана. [2] До 10 000 ТВт ·ч/год электроэнергии может быть получено с помощью OTEC без воздействия на тепловую структуру океана. [3]
Системы могут быть либо замкнутого, либо открытого цикла. В замкнутом цикле OTEC используются рабочие жидкости, которые обычно считаются хладагентами, такими как аммиак или R-134a . Эти жидкости имеют низкие температуры кипения и поэтому подходят для питания генератора системы для выработки электроэнергии. Наиболее часто используемый тепловой цикл для OTEC на сегодняшний день — это цикл Ренкина , использующий турбину низкого давления. Двигатели открытого цикла используют пар из самой морской воды в качестве рабочей жидкости.
OTEC также может поставлять некоторое количество холодной воды в качестве побочного продукта. Это может быть использовано для кондиционирования воздуха и охлаждения, а богатая питательными веществами глубинная океанская вода может питать биологические технологии. Другим побочным продуктом является пресная вода, дистиллированная из моря. [4]
Теория OTEC была впервые разработана в 1880-х годах, а первая демонстрационная модель лабораторного размера была построена в 1926 году. В настоящее время действующие пилотные установки OTEC расположены в Японии под надзором Университета Сага и в Макаи на Гавайях. [5]
Попытки разработать и усовершенствовать технологию OTEC начались в 1880-х годах. В 1881 году французский физик Жак Арсен д'Арсонваль предложил использовать тепловую энергию океана. Ученик д'Арсонваля, Жорж Клод , построил первую установку OTEC в Матансасе, Куба, в 1930 году. [6] [7] Система вырабатывала 22 кВт электроэнергии с помощью турбины низкого давления . [8] Позднее установка была разрушена штормом. [9]
В 1935 году Клод построил завод на борту 10 000- тонного грузового судна, пришвартованного у берегов Бразилии. Погода и волны разрушили его, прежде чем он смог вырабатывать чистую мощность. [8] (Чистая мощность — это количество энергии, вырабатываемой после вычитания мощности, необходимой для работы системы).
В 1956 году французские ученые спроектировали электростанцию мощностью 3 МВт для Абиджана , Кот-д'Ивуар. Завод так и не был достроен, поскольку новые открытия больших объемов дешевой нефти сделали его нерентабельным. [8]
В 1962 году Дж. Гилберт Андерсон и Джеймс Х. Андерсон-младший сосредоточились на повышении эффективности компонентов. Они запатентовали свою новую конструкцию «замкнутого цикла» в 1967 году. [10] Эта конструкция улучшила исходную систему Ренкина с замкнутым циклом и включила ее в схему завода, который будет производить электроэнергию по более низкой цене, чем нефть или уголь. Однако в то время их исследования привлекли мало внимания, поскольку уголь и ядерная энергия считались будущим энергетики. [9]
Япония вносит большой вклад в развитие технологии OTEC. [11] Начиная с 1970 года, Tokyo Electric Power Company успешно построила и запустила 100-киловаттную установку OTEC замкнутого цикла на острове Науру . [11] Установка была введена в эксплуатацию 14 октября 1981 года, вырабатывая около 120 кВт электроэнергии; 90 кВт использовалось для питания установки, а оставшаяся часть электроэнергии использовалась для питания школы и других мест. [8] Это стало мировым рекордом по выходу мощности из системы OTEC, где энергия направлялась в реальную (а не экспериментальную) электросеть. [12]
1981 год также стал свидетелем крупного развития технологии OTEC, когда русский инженер, доктор Александр Калина, использовал смесь аммиака и воды для производства электроэнергии. Эта новая смесь аммиака и воды значительно повысила эффективность энергетического цикла. В 1994 году Институт энергии океана в Университете Сага спроектировал и построил установку мощностью 4,5 кВт с целью тестирования недавно изобретенного цикла Уэхары, также названного в честь его изобретателя Харуо Уэхары. Этот цикл включал процессы абсорбции и экстракции, которые позволяют этой системе превзойти цикл Калины на 1–2%. [13]
В 1970-х годах произошел всплеск исследований и разработок в области OTEC во время арабо-израильской войны после 1973 года, которая привела к утроению цен на нефть. Федеральное правительство США вложило 260 миллионов долларов в исследования OTEC после того, как президент Картер подписал закон, который обязывал США к 1999 году достичь цели производства 10 000 МВт электроэнергии из систем OTEC. [14]
В 1974 году США основали Лабораторию естественной энергии Гавайского управления (NELHA) в Кихол-Пойнт на побережье Кона на Гавайях . Гавайи являются лучшим местом для OTEC в США из-за его теплой поверхностной воды, доступа к очень глубокой, очень холодной воде и высоких затрат на электроэнергию. Лаборатория стала ведущим испытательным центром для технологии OTEC. [15] В том же году Lockheed получила грант от Национального научного фонда США на изучение OTEC. Это в конечном итоге привело к усилиям Lockheed, ВМС США, Makai Ocean Engineering, Dillingham Construction и других фирм по строительству первой и единственной в мире установки OTEC, производящей чистую энергию, названной «Mini-OTEC» [16] В течение трех месяцев в 1979 году было произведено небольшое количество электроэнергии. NELHA эксплуатировала демонстрационную установку мощностью 250 кВт в течение шести лет в 1990-х годах. [17] При финансовой поддержке ВМС США в 2015 году на месте начала работать электростанция мощностью 105 кВт, которая начала поставлять электроэнергию в местную электросеть. [17]
Европейская инициатива EUROCEAN — частное совместное предприятие из 9 европейских компаний, уже работающих в сфере оффшорного инжиниринга — активно продвигала OTEC с 1979 по 1983 год. Первоначально изучалось крупномасштабное морское сооружение. Позже изучалась наземная установка мощностью 100 кВт, объединяющая наземное OTEC с опреснением и аквакультурой, получившая название ODA. Это было основано на результатах работы небольшого аквакультурного сооружения на острове Санта-Круа, которое использовало глубоководный трубопровод для подачи воды в аквакультурные бассейны. Также исследовалась береговая установка открытого цикла. Местом проведения исследования был остров Кюрасао, относящийся к Голландскому королевству . [18]
Исследования, связанные с превращением открытого цикла OTEC в реальность, начались в 1979 году в Исследовательском институте солнечной энергии (SERI) при финансировании Министерства энергетики США. Испарители и соответствующим образом сконфигурированные конденсаторы прямого контакта были разработаны и запатентованы SERI (см. [19] [20] [21] ). Оригинальная конструкция для эксперимента по производству энергии, тогда называемого экспериментом на 165 кВт, была описана Крейтом и Бхаратаном [22] и [23] в качестве лекции по награде памяти Макса Якоба . Первоначальная конструкция использовала две параллельные осевые турбины, используя роторы последней ступени, взятые из больших паровых турбин. Позже группа под руководством доктора Бхаратана в Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) разработала первоначальный концептуальный проект для обновленного эксперимента открытого цикла OTEC на 210 кВт ( [24] ). Эта конструкция объединила все компоненты цикла, а именно испаритель, конденсатор и турбину, в один вакуумный сосуд, с турбиной, установленной сверху, чтобы предотвратить любую возможность попадания в него воды. Сосуд был изготовлен из бетона как первый технологический вакуумный сосуд такого рода. Попытки изготовить все компоненты с использованием недорогого пластикового материала не смогли быть полностью реализованы, так как для турбины и вакуумных насосов, разработанных как первые в своем роде, требовался определенный консерватизм. Позже доктор Бхаратан работал с группой инженеров в Тихоокеанском институте исследований высоких технологий (PICHTR) для дальнейшего развития этого проекта на предварительных и заключительных этапах. Он был переименован в Эксперимент по производству чистой мощности (NPPE) и был построен в Гавайской лаборатории естественной энергии (NELH) PICHTR группой во главе с главным инженером Доном Эвансом, а проектом руководил доктор Луис Вега.
В 2002 году Индия провела испытания плавучей пилотной установки OTEC мощностью 1 МВт около Тамил Наду. Установка в конечном итоге оказалась неудачной из-за отказа глубоководного трубопровода холодной воды. [25] Ее правительство продолжает спонсировать исследования. [26]
В 2006 году Makai Ocean Engineering получила контракт от Управления военно-морских исследований США (ONR) на исследование потенциала OTEC для производства значимых для страны количеств водорода на плавучих установках, расположенных в теплых тропических водах. Осознавая необходимость в более крупных партнерах для фактической коммерциализации OTEC, Makai обратилась в Lockheed Martin, чтобы возобновить их предыдущие отношения и определить, пришло ли время для OTEC. И поэтому в 2007 году Lockheed Martin возобновила работу в OTEC и стала субподрядчиком Makai для поддержки их SBIR, за которым последовали другие последующие сотрудничества [16]
В марте 2011 года корпорация Ocean Thermal Energy подписала соглашение об энергетических услугах (ESA) с курортом Baha Mar, Нассау, Багамские острова, для первой и крупнейшей в мире системы кондиционирования воздуха с использованием морской воды (SWAC). [27] В июне 2015 года проект был приостановлен, пока курорт решал финансовые и имущественные вопросы. [28] В августе 2016 года было объявлено, что проблемы решены и что курорт откроется в марте 2017 года. [29] Ожидается, что строительство системы SWAC возобновится в это же время.
В июле 2011 года компания Makai Ocean Engineering завершила проектирование и строительство испытательного стенда для теплообменников OTEC в Гавайской лаборатории естественной энергии . Целью стенда является достижение оптимальной конструкции теплообменников OTEC, повышение производительности и срока службы при одновременном снижении стоимости (теплообменники являются основным фактором затрат для завода OTEC). [30] А в марте 2013 года компания Makai объявила о получении контракта на установку и эксплуатацию 100-киловаттной турбины на испытательном стенде для теплообменников OTEC и повторное подключение электроэнергии OTEC к сети. [31] [32]
В июле 2016 года Комиссия по коммунальным услугам Виргинских островов одобрила заявку Ocean Thermal Energy Corporation на получение статуса квалифицированного предприятия. Таким образом, компании разрешено начать переговоры с Управлением по водным ресурсам и энергетике Виргинских островов (WAPA) по Соглашению о покупке электроэнергии (PPA), касающемуся завода по преобразованию тепловой энергии океана (OTEC) на острове Санта-Крус. Это будет первый в мире коммерческий завод OTEC. [33] [34]
Проект планируется реализовать в африканской стране Сан-Томе и Принсипи, которая станет первой в мире плавучей платформой OTEC коммерческого масштаба. [35] Разработанная компанией Global OTEC структура под названием Dominique будет генерировать 1,5 МВт, а последующие баржи будут установлены для обеспечения полного спроса страны. [36] В 2022 году был подписан меморандум о взаимопонимании между правительством и британским стартапом Global OTEC. [37]
В марте 2013 года Университет Сага совместно с различными японскими предприятиями завершил установку новой установки OTEC. Префектура Окинава объявила о начале испытаний работы OTEC на острове Куме 15 апреля 2013 года. Основная цель — доказать обоснованность компьютерных моделей и продемонстрировать OTEC общественности. Испытания и исследования будут проводиться при поддержке Университета Сага до конца 2016 финансового года. Компаниям IHI Plant Construction Co. Ltd, Yokogawa Electric Corporation и Xenesys Inc было поручено построить установку класса 100 киловатт на территории Исследовательского центра глубоководных морских вод префектуры Окинава. Место было выбрано специально для того, чтобы использовать существующие трубы забора глубоководной и поверхностной морской воды, установленные для исследовательского центра в 2000 году. Труба используется для забора глубоководной морской воды для исследований, рыболовства и сельскохозяйственных нужд. Установка состоит из двух блоков мощностью 50 кВт в двойной конфигурации Ренкина. [38] Объект OTEC и центр глубоководных исследований открыты для бесплатных публичных экскурсий по предварительной записи на английском и японском языках. [39] В настоящее время это один из двух полностью работающих заводов OTEC в мире. Этот завод работает непрерывно, когда не проводятся специальные испытания.
В 2011 году Makai Ocean Engineering завершила испытательный стенд для теплообменников в NELHA. Makai использовалась для тестирования различных технологий теплообмена для использования в OTEC, и получила финансирование на установку турбины мощностью 105 кВт. [40] Установка сделает этот объект крупнейшим действующим объектом OTEC, хотя рекорд по наибольшей мощности останется за заводом открытого цикла, также разработанным на Гавайях.
В июле 2014 года группа DCNS в партнерстве с Akuo Energy объявила о финансировании NER 300 для своего проекта NEMO. Если бы проект был успешным, морская электростанция мощностью 16 МВт брутто и 10 МВт нетто стала бы крупнейшим объектом OTEC на сегодняшний день. DCNS планировала ввести NEMO в эксплуатацию к 2020 году. [41] [ проверка не удалась ] В начале апреля 2018 года Naval Energies закрыла проект на неопределенный срок из-за технических трудностей, связанных с главным водозаборным трубопроводом холодной воды. [42]
Электростанция по преобразованию тепловой энергии океана, построенная Makai Ocean Engineering, была введена в эксплуатацию на Гавайях в августе 2015 года. Губернатор Гавайев Дэвид Иге «щелкнул выключателем», чтобы активировать станцию. Это первая настоящая станция по преобразованию тепловой энергии океана (OTEC) замкнутого цикла, подключенная к электросети США. Это демонстрационная станция, способная вырабатывать 105 киловатт, что достаточно для питания около 120 домов. [43]
Тепловой двигатель обеспечивает большую эффективность при работе с большой разницей температур . В океанах разница температур между поверхностью и глубиной воды самая большая в тропиках , хотя все еще скромная 20–25 °C. Поэтому именно в тропиках OTEC предлагает самые большие возможности. [4] OTEC имеет потенциал предложить мировые объемы энергии, которые в 10–100 раз больше, чем другие варианты энергии океана, такие как энергия волн . [44] [45]
Установки OTEC могут работать непрерывно, обеспечивая базовую нагрузку для системы выработки электроэнергии. [4]
Основная техническая задача OTEC заключается в эффективной генерации значительных объемов энергии при небольших перепадах температур. Это все еще считается новой технологией . Ранние системы OTEC имели термическую эффективность от 1 до 3 процентов , что значительно ниже теоретического максимума в 6 и 7 процентов для этой разницы температур. [46] Современные конструкции позволяют достичь производительности, приближающейся к теоретическому максимуму эффективности Карно .
Холодная морская вода является неотъемлемой частью каждого из трех типов систем OTEC: замкнутого цикла, открытого цикла и гибридного. Для работы холодная морская вода должна быть выведена на поверхность. Основными подходами являются активная откачка и опреснение. Опреснение морской воды вблизи морского дна снижает ее плотность, что заставляет ее подниматься на поверхность. [47]
Альтернативой дорогостоящим трубам для подачи конденсированной холодной воды на поверхность является закачка испаренной жидкости с низкой температурой кипения в глубины для конденсации, что позволяет сократить объемы закачки, уменьшить технические и экологические проблемы и снизить затраты. [48]
Системы замкнутого цикла используют жидкость с низкой температурой кипения, например, аммиак (температура кипения около -33 °C при атмосферном давлении), для питания турбины , вырабатывающей электроэнергию. Теплая поверхностная морская вода прокачивается через теплообменник для испарения жидкости. Расширяющийся пар вращает турбогенератор. Холодная вода, прокачиваемая через второй теплообменник, конденсирует пар в жидкость, которая затем рециркулируется через систему.
В 1979 году Лаборатория естественной энергии и несколько партнеров из частного сектора разработали эксперимент «мини-OTEC», в ходе которого впервые было успешно осуществлено производство чистой электроэнергии в море с помощью замкнутого цикла OTEC. [49] Мини-судно OTEC было пришвартовано в 1,5 милях (2,4 км) от побережья Гавайев и производило достаточно чистой электроэнергии для освещения лампочек на судне и работы компьютеров и телевизоров.
Открытый цикл OTEC использует теплую поверхностную воду напрямую для производства электроэнергии. Теплая морская вода сначала закачивается в контейнер низкого давления, что приводит ее в кипение. В некоторых схемах расширяющийся пар приводит в действие турбину низкого давления, прикрепленную к электрогенератору . Пар, который оставил свою соль и другие загрязняющие вещества в контейнере низкого давления, представляет собой чистую пресную воду. Он конденсируется в жидкость под воздействием низких температур из глубоководной океанской воды. Этот метод производит опресненную пресную воду, пригодную для питья , орошения или аквакультуры . [50]
В других схемах восходящий пар используется в технике газлифта для подъема воды на значительные высоты. В зависимости от варианта исполнения такие методы парового подъема насосов генерируют электроэнергию от гидроэлектрической турбины либо до, либо после использования насоса. [51]
В 1984 году Институт исследований солнечной энергии (ныне Национальная лаборатория возобновляемой энергии ) разработал испаритель с вертикальным соплом для преобразования теплой морской воды в пар низкого давления для установок открытого цикла. Эффективность преобразования достигала 97% для преобразования морской воды в пар (общее производство пара составляло бы всего несколько процентов от поступающей воды). В мае 1993 года установка OTEC открытого цикла в Кихоул-Пойнт, Гавайи, произвела около 80 кВт электроэнергии во время эксперимента по производству чистой энергии. [52] Это побило рекорд в 40 кВт, установленный японской системой в 1982 году. [52]
Гибридный цикл сочетает в себе особенности систем с закрытым и открытым циклом. В гибридной системе теплая морская вода поступает в вакуумную камеру и мгновенно испаряется, аналогично процессу испарения в открытом цикле. Пар испаряет рабочую жидкость аммиака замкнутого цикла на другой стороне испарителя аммиака. Затем испаренная жидкость приводит в действие турбину для выработки электроэнергии. Пар конденсируется в теплообменнике и обеспечивает опресненную воду (см. тепловую трубу ). [53]
Популярным выбором рабочей жидкости является аммиак, который обладает превосходными транспортными свойствами, легкой доступностью и низкой стоимостью. Однако аммиак токсичен и огнеопасен. Фторированные углероды, такие как ХФУ и ГХФУ, не токсичны и не огнеопасны, но они способствуют истощению озонового слоя. Углеводороды также являются хорошими кандидатами, но они легко воспламеняемы; кроме того, это создало бы конкуренцию за их непосредственное использование в качестве топлива. Размер электростанции зависит от давления паров рабочей жидкости. С увеличением давления паров размер турбины и теплообменников уменьшается, в то время как толщина стенок труб и теплообменников увеличивается, чтобы выдерживать высокое давление, особенно со стороны испарителя.
OTEC имеет потенциал для производства гигаватт электроэнергии, а в сочетании с электролизом может производить достаточно водорода, чтобы полностью заменить все прогнозируемое мировое потребление ископаемого топлива. [ необходима цитата ] Однако сокращение затрат остается нерешенной проблемой. Для установок OTEC требуется длинная впускная труба большого диаметра, которая погружается на километр или более в глубины океана, чтобы выводить холодную воду на поверхность.
Наземные и прибрежные объекты предлагают три основных преимущества по сравнению с теми, которые расположены в глубокой воде. Заводы, построенные на суше или вблизи нее, не требуют сложной швартовки, длинных силовых кабелей или более обширного обслуживания, связанного с условиями открытого океана. Их можно устанавливать в защищенных зонах, чтобы они были относительно защищены от штормов и сильного волнения. Электричество, опресненная вода и холодная, богатая питательными веществами морская вода могут передаваться с прибрежных объектов по эстакадам или дамбам. Кроме того, наземные или прибрежные объекты позволяют заводам работать со смежными отраслями, такими как марикультура или теми, которым требуется опресненная вода.
Излюбленными местами являются места с узкими шельфами (вулканические острова), крутыми (15–20 градусов) прибрежными склонами и относительно гладким морским дном. Такие места минимизируют длину впускной трубы. Наземная установка может быть построена вдали от берега, что обеспечивает большую защиту от штормов, или на пляже, где трубы будут короче. В любом случае, легкий доступ для строительства и эксплуатации помогает снизить затраты.
Наземные или прибрежные участки также могут поддерживать марикультуру или сельское хозяйство с охлажденной водой. Резервуары или лагуны, построенные на берегу, позволяют работникам контролировать и управлять миниатюрной морской средой. Продукция марикультуры может поставляться на рынок с помощью стандартного транспорта.
Один из недостатков наземных объектов возникает из-за турбулентного волнового воздействия в зоне прибоя . Сбросные трубы OTEC должны быть размещены в защитных траншеях, чтобы не подвергать их экстремальным нагрузкам во время штормов и длительных периодов сильного волнения. Кроме того, смешанный сброс холодной и теплой морской воды может потребоваться переносить на несколько сотен метров от берега, чтобы достичь надлежащей глубины перед сбросом, что требует дополнительных расходов на строительство и обслуживание.
Один из способов, которым системы OTEC могут избежать некоторых проблем и расходов, связанных с работой в зоне прибоя, — это их строительство в непосредственной близости от берега в водах глубиной от 10 до 30 метров (Ocean Thermal Corporation 1984). Этот тип установок будет использовать более короткие (и, следовательно, менее дорогостоящие) впускные и выпускные трубы, что позволит избежать опасностей турбулентного прибоя. Однако сама установка потребует защиты от морской среды, например, волнорезов и эрозионно-устойчивых фундаментов, а выход установки необходимо будет передавать на берег. [54]
Чтобы избежать зоны бурного прибоя, а также приблизиться к холодным водным ресурсам, установки OTEC могут быть установлены на континентальном шельфе на глубине до 100 метров (330 футов). Установка, смонтированная на полке, может быть отбуксирована на место и прикреплена к морскому дну. Этот тип конструкции уже используется для морских нефтяных вышек. Сложности эксплуатации установки OTEC в более глубоких водах могут сделать их более дорогими, чем наземные подходы. Проблемы включают в себя стресс от условий открытого океана и более сложную доставку продукции. Решение проблемы сильных океанских течений и больших волн увеличивает инженерные и строительные расходы. Платформы требуют обширных свай для поддержания стабильного основания. Для подачи электроэнергии могут потребоваться длинные подводные кабели, чтобы достичь земли. По этим причинам установки, смонтированные на полке, менее привлекательны. [54] [ необходима цитата ]
Плавучие объекты OTEC работают в открытом море. Хотя они потенциально оптимальны для крупных систем, плавучие объекты представляют ряд трудностей. Сложность швартовки установок на большой глубине усложняет подачу электроэнергии. Кабели, прикрепленные к плавучим платформам, более подвержены повреждениям, особенно во время штормов. Кабели на глубине более 1000 метров трудно обслуживать и ремонтировать. Подъемные кабели, которые соединяют морское дно и установку, должны быть сконструированы так, чтобы противостоять запутыванию. [54]
Как и в случае с установками на полках, плавучие установки нуждаются в устойчивом основании для непрерывной работы. Сильные штормы и сильное волнение моря могут сломать вертикально подвешенную трубу холодной воды и также прервать забор теплой воды. Чтобы помочь предотвратить эти проблемы, трубы могут быть сделаны из гибкого полиэтилена, прикрепленного к нижней части платформы и закрепленного шарнирами или воротниками. Трубы, возможно, придется отсоединить от установки, чтобы предотвратить повреждения от шторма. В качестве альтернативы трубе теплой воды поверхностная вода может быть втянута непосредственно в платформу; однако необходимо предотвратить повреждение или прерывание потока забора во время сильных движений, вызванных сильным волнением моря. [54]
Подключение плавучего завода к кабелям подачи электроэнергии требует, чтобы завод оставался относительно неподвижным. Швартовка является приемлемым методом, но современная технология швартовки ограничена глубиной около 2000 метров (6600 футов). Даже на меньших глубинах стоимость швартовки может быть непомерно высокой. [55]
Поскольку объекты OTEC представляют собой более или менее стационарные надводные платформы, их точное местоположение и правовой статус могут быть затронуты Конвенцией ООН по морскому праву (UNCLOS). Этот договор предоставляет прибрежным странам зоны шириной 12 и 200 морских миль (22 и 370 км) с различной юридической властью с суши, что создает потенциальные конфликты и нормативные барьеры. Заводы OTEC и аналогичные сооружения будут считаться искусственными островами в соответствии с договором, что не дает им независимого правового статуса. Заводы OTEC могут восприниматься как угроза или потенциальный партнер для рыболовства или добычи полезных ископаемых на морском дне, контролируемых Международным органом по морскому дну .
Поскольку системы OTEC еще не получили широкого распространения, оценки затрат неопределенны. Исследование, проведенное в 2010 году Гавайским университетом, оценило стоимость электроэнергии для OTEC в 94,0 цента за киловатт-час (кВт·ч) для установки мощностью 1,4 МВт, 44,0 цента за кВт·ч для установки мощностью 10 МВт и 18,0 цента за кВт·ч для установки мощностью 100 МВт. [56] В отчете за 2015 год организации Ocean Energy Systems при Международном энергетическом агентстве была дана оценка около 20,0 центов за кВт·ч для установок мощностью 100 МВт. [57] Другое исследование оценило затраты на производство электроэнергии всего в 7,0 центов за кВт·ч. [58] По сравнению с другими источниками энергии, исследование Lazard, проведенное в 2019 году, оценило несубсидированную стоимость электроэнергии в 3,2–4,2 цента за кВт·ч для солнечных фотоэлектрических установок в коммунальном масштабе и в 2,8–5,4 цента за кВт·ч для ветроэнергетики . [59]
В отчете, опубликованном IRENA в 2014 году, утверждается, что коммерческое использование технологии OTEC может быть масштабировано различными способами. «...небольшие установки OTEC могут быть созданы для обеспечения производства электроэнергии небольшими общинами (5000–50000 жителей), но для их экономической жизнеспособности потребуется производство ценных побочных продуктов, таких как пресная вода или охлаждение». Более масштабные установки OTEC будут иметь гораздо более высокие накладные расходы и затраты на установку. [60]
Полезные факторы, которые следует учитывать, включают в себя отсутствие отходов и потребления топлива OTEC, область, в которой он доступен [ необходима ссылка ] (часто в пределах 20° от экватора), [61] геополитические эффекты зависимости от нефти , совместимость с альтернативными формами энергии океана, такими как энергия волн, приливов и гидратов метана , а также дополнительное использование морской воды. [62]
Рассматриваемые проекты OTEC включают небольшую установку для базы ВМС США на острове Диего-Гарсия, заморской территории Великобритании , в Индийском океане . Ocean Thermal Energy Corporation (ранее OCEES International, Inc.) работает с ВМС США над проектом предлагаемой установки OTEC мощностью 13 МВт для замены нынешних дизельных генераторов. Установка OTEC также будет обеспечивать 1,25 миллиона галлонов [ требуется разъяснение ] питьевой воды в день. Этот проект в настоящее время [ когда? ] ожидает изменений в политике военных контрактов США. OTE предложила построить установку OTEC мощностью 10 МВт на Гуаме .
Корпорация Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) в настоящее время [ когда? ] планирует установить две установки OTEC мощностью 10 МВт на Виргинских островах США и установку OTEC мощностью 5–10 МВт на Багамах. Компания OTE также спроектировала крупнейшую в мире установку кондиционирования воздуха на морской воде (SWAC) для курорта на Багамах, которая будет использовать холодную глубинную морскую воду в качестве метода кондиционирования воздуха. [63] В середине 2015 года проект, выполненный на 95%, был временно приостановлен, пока курорт решал финансовые и имущественные вопросы. [64] 22 августа 2016 года правительство Багамских островов объявило о подписании нового соглашения, в соответствии с которым курорт Baha Mar будет достроен. [29] 27 сентября 2016 года премьер-министр Багамских островов Перри Кристи объявил о возобновлении строительства Baha Mar и о том, что открытие курорта запланировано на март 2017 года. [65]
Это приостановлено и, возможно, никогда не возобновится. [66]
Команда Lockheed Martin по разработке альтернативной энергии объединилась с Makai Ocean Engineering [67] для завершения финальной фазы проектирования пилотной системы замкнутого цикла OTEC мощностью 10 МВт, которая должна была быть введена в эксплуатацию на Гавайях в период 2012–2013 годов. Эта система была разработана для расширения до коммерческих систем мощностью 100 МВт в ближайшем будущем. В ноябре 2010 года Инженерное командование военно-морских объектов США (NAVFAC) заключило с Lockheed Martin контракт на модификацию на сумму 4,4 млн долларов США для разработки критически важных системных компонентов и конструкций для завода, добавив к контракту на сумму 8,1 млн долларов США 2009 года и двум грантам Министерства энергетики на общую сумму более 1 млн долларов США в 2008 году и марте 2010 года. [68] Небольшая, но действующая установка преобразования тепловой энергии океана (OTEC) была открыта на Гавайях в августе 2015 года. Открытие научно-исследовательского и опытно-конструкторского объекта мощностью 100 киловатт ознаменовало собой первый случай подключения установки замкнутого цикла OTEC к энергосистеме США. [69]
13 апреля 2013 года Lockheed заключила контракт с Reignwood Group на строительство электростанции мощностью 10 мегаватт у побережья южного Китая для обеспечения электроэнергией запланированного курорта на острове Хайнань . [70] Электростанция такого размера могла бы обеспечить электроэнергией несколько тысяч домов. [ 71] [72] В 2011 году Reignwood Group приобрела Opus Offshore, которая сформировала подразделение Reignwood Ocean Engineering, также занимающееся разработкой глубоководного бурения . [73]
В настоящее время единственная постоянно действующая система OTEC находится в префектуре Окинава, Япония. Правительственная поддержка, поддержка местного сообщества и передовые исследования, проведенные Университетом Сага, стали ключевыми для подрядчиков, IHI Plant Construction Co. Ltd, Yokogawa Electric Corporation и Xenesys Inc, чтобы добиться успеха в этом проекте. Ведутся работы по разработке объекта мощностью 1 МВт на острове Куме, требующие новых трубопроводов. В июле 2014 года более 50 членов сформировали Глобальную ассоциацию по ресурсам и энергии океана (GOSEA) — международную организацию, созданную для содействия развитию модели Кумедзима и работы по установке более крупных глубоководных трубопроводов и объекта OTEC мощностью 1 МВт. [74] Компании, участвующие в текущих проектах OTEC, вместе с другими заинтересованными сторонами также разработали планы для морских систем OTEC. [75] - Более подробную информацию см. в разделе «В настоящее время действующие заводы OTEC» выше.
5 марта 2014 года корпорация Ocean Thermal Energy Corporation (OTEC) [76] и 30-й законодательный орган Виргинских островов США (USVI) подписали Меморандум о взаимопонимании, чтобы продолжить исследование с целью оценки осуществимости и потенциальных выгод для USVI от установки на суше возобновляемых источников энергии Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) и установок по кондиционированию воздуха с использованием морской воды (SWAC). [77] Преимущества, которые будут оцениваться в исследовании USVI, включают как базовую нагрузку (24/7) чистой электроэнергии, вырабатываемой OTEC, так и различные сопутствующие продукты, связанные с OTEC и SWAC, включая обилие пресной питьевой воды, энергосберегающее кондиционирование воздуха, устойчивую аквакультуру и марикультуру, а также проекты по улучшению сельского хозяйства для островов Сент-Томас и Санта-Круа. [78]
18 июля 2016 года заявка OTE на получение статуса квалификационного учреждения была одобрена Комиссией по коммунальным услугам Виргинских островов. [33] OTE также получила разрешение начать переговоры по контрактам, связанным с этим проектом. [34]
Научно-исследовательский институт кораблей и морской техники Южной Кореи (KRISO) получил принципиальное одобрение от Bureau Veritas на свой проект 1 МВт офшорного OTEC. Сроки для проекта, который будет расположен в 6 км от берега Республики Кирибати, не были указаны. [79]
Компании Akuo Energy и DCNS получили финансирование NER300 8 июля 2014 года [80] для своего проекта NEMO (Новая энергия для Мартиники и за рубежом), который, как ожидается, станет морским объектом чистой мощности 10,7 МВт, завершенным в 2020 году. [81] Общая сумма гранта на помощь в разработке составила 72 миллиона евро. [82]
16 февраля 2018 года компания Global OTEC Resources объявила о планах [83] по строительству на Мальдивах электростанции мощностью 150 кВт, спроектированной специально для отелей и курортов. [84] «Все эти курорты получают электроэнергию от дизельных генераторов. Более того, некоторые отдельные курорты потребляют 7000 литров дизельного топлива в день, чтобы удовлетворить потребности, что эквивалентно более 6000 тонн CO2 в год», — сказал директор Дэн Греч. [85] ЕС выделил грант, а Global OTEC Resources запустил краудфандинговую кампанию для оставшейся части. [83]
OTEC имеет и другие сферы применения, помимо производства электроэнергии.
Опресненную воду можно производить на заводах открытого или гибридного цикла с использованием поверхностных конденсаторов для превращения испаренной морской воды в питьевую воду. Системный анализ показывает, что завод мощностью 2 мегаватта может производить около 4300 кубических метров (150 000 кубических футов) опресненной воды каждый день. [86] Другая система, запатентованная Ричардом Бейли, создает конденсированную воду, регулируя поток глубинной океанской воды через поверхностные конденсаторы, коррелируя с колебаниями температуры точки росы. [87] Эта конденсационная система не использует дополнительной энергии и не имеет движущихся частей.
22 марта 2015 года Университет Сага открыл демонстрационную установку по опреснению типа Flash на Кумедзиме. [88] Этот спутник их Института океанической энергии использует пост-OTEC глубинную морскую воду из Окинавской демонстрационной установки OTEC и сырую поверхностную морскую воду для производства опресненной воды. Воздух извлекается из закрытой системы с помощью вакуумного насоса. Когда сырая морская вода закачивается в камеру испарения, она кипит, позволяя чистому пару подниматься, а соли и оставшейся морской воде удаляться. Пар возвращается в жидкое состояние в теплообменнике с холодной пост-OTEC глубинной морской водой. [89] Опресненная вода может использоваться для производства водорода или питьевой воды (при добавлении минералов).
Завод NELHA, основанный в 1993 году, производил в среднем 7000 галлонов пресной воды в день. Компания KOYO USA была основана в 2002 году, чтобы извлечь выгоду из этой новой экономической возможности. KOYO разливает воду, произведенную на заводе NELHA на Гавайях. Имея возможность производить один миллион бутылок воды в день, KOYO в настоящее время является крупнейшим экспортером Гавайев с объемом продаж в 140 миллионов долларов.[81]
Холодная морская вода с температурой 41 °F (5 °C), доступная благодаря системе OTEC, создает возможность для обеспечения большого количества охлаждения для промышленных предприятий и домов вблизи завода. Воду можно использовать в змеевиках с охлажденной водой для кондиционирования воздуха в зданиях. Подсчитано, что труба диаметром 1 фут (0,30 м) может поставлять 4700 галлонов воды в минуту. Вода с температурой 43 °F (6 °C) может обеспечить более чем достаточное кондиционирование воздуха для большого здания. Работая 8000 часов в год вместо электрического кондиционирования, продаваемого по цене 5–10 центов за киловатт-час, она сэкономит 200 000–400 000 долларов США на счетах за электроэнергию ежегодно. [90]
InterContinental Resort and Thalasso-Spa на острове Бора-Бора использует систему SWAC для кондиционирования воздуха в своих зданиях. [ 91] Система пропускает морскую воду через теплообменник, где она охлаждает пресную воду в замкнутой системе. Затем эта пресная вода закачивается в здания и напрямую охлаждает воздух.
В 2010 году Copenhagen Energy открыла центральное охладительное предприятие в Копенгагене, Дания. Завод поставляет холодную морскую воду в коммерческие и промышленные здания и сократил потребление электроэнергии на 80 процентов. [92] Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) разработала 9800-тонную систему SDC для курорта на Багамах.
Технология OTEC поддерживает сельское хозяйство с охлажденной почвой. Когда холодная морская вода течет по подземным трубам, она охлаждает окружающую почву. Разница температур между корнями в прохладной почве и листьями в теплом воздухе позволяет выращивать растения, которые развивались в умеренном климате , в субтропиках . Доктор Джон П. Крейвен, доктор Джек Дэвидсон и Ричард Бейли запатентовали этот процесс и продемонстрировали его в исследовательском центре в Лаборатории естественной энергии Гавайского управления (NELHA). [93] Исследовательский центр продемонстрировал, что с помощью этой системы можно выращивать более 100 различных культур. Многие из них обычно не выживают на Гавайях или в Кихоул-Пойнт. [ необходима цитата ]
Япония также исследует сельскохозяйственное использование глубоководной морской воды с 2000 года в Институте исследований глубоководной морской воды Окинавы на острове Куме. Объекты острова Куме используют обычную воду, охлажденную глубоководной морской водой в теплообменнике, проходящем по трубам в земле для охлаждения почвы. Их методы разработали важный ресурс для островного сообщества, поскольку теперь они производят шпинат, зимний овощ, в коммерческих целях круглый год. Расширение объекта глубоководного сельского хозяйства было завершено городом Кумедзима рядом с демонстрационным объектом OTEC в 2014 году. Новый объект предназначен для исследования экономической целесообразности сельского хозяйства с охлажденной почвой в более крупных масштабах. [94]
Аквакультура является самым известным побочным продуктом, поскольку она снижает финансовые и энергетические затраты на откачку больших объемов воды из глубин океана. Глубинная океанская вода содержит высокие концентрации необходимых питательных веществ, которые истощаются в поверхностных водах из-за биологического потребления. Этот искусственный подъем глубинных вод имитирует естественный подъем глубинных вод, который отвечает за удобрение и поддержку крупнейших в мире морских экосистем и наибольшей плотности жизни на планете.
Холодноводные морские животные, такие как лосось и лобстер , процветают в этой богатой питательными веществами глубокой морской воде. Микроводоросли , такие как спирулина , здоровая пищевая добавка, также могут быть выращены. Глубоководную воду можно смешивать с поверхностной водой, чтобы получить воду оптимальной температуры.
Неместные виды, такие как лосось, лобстер, морское ушко , форель , устрицы и моллюски , можно выращивать в бассейнах, снабжаемых водой, перекачиваемой OTEC. Это расширяет ассортимент свежих морепродуктов, доступных для близлежащих рынков. Такое недорогое охлаждение можно использовать для поддержания качества выловленной рыбы, которая быстро портится в теплых тропических регионах. В Коне, Гавайи, аквакультурные компании, работающие с NELHA, ежегодно приносят около 40 миллионов долларов, что составляет значительную часть ВВП Гавайев. [95]
Водород можно производить электролизом с использованием электроэнергии OTEC. Генерируемый пар с электролитными соединениями, добавленными для повышения эффективности, является относительно чистой средой для производства водорода. OTEC можно масштабировать для получения больших объемов водорода. Основная проблема — стоимость по сравнению с другими источниками энергии и топливами. [96]
Океан содержит 57 микроэлементов в солях и других формах, а также растворенных в растворе. В прошлом большинство экономических анализов пришли к выводу, что добыча микроэлементов в океане будет невыгодной, отчасти из-за энергии, необходимой для перекачивания воды. Добыча обычно нацелена на минералы, которые встречаются в высоких концентрациях и могут быть легко извлечены, такие как магний . С заводами OTEC, поставляющими воду, единственными расходами являются затраты на добычу. [97] Японцы исследовали возможность извлечения урана и обнаружили, что разработки в других технологиях (особенно в области материаловедения) улучшают перспективы. [98]
Температурный градиент океана может быть использован для увеличения количества осадков и смягчения высоких летних температур окружающей среды в тропиках, что принесет огромную пользу человечеству, флоре и фауне . [ требуется ссылка ] Когда температура поверхности моря относительно высока в каком-либо районе, образуется область более низкого атмосферного давления по сравнению с атмосферным давлением, преобладающим на близлежащем участке суши, что приводит к возникновению ветров с суши в сторону океана. Ветры, направленные в сторону океана, сухие и теплые, что не будет способствовать хорошему количеству осадков на суше по сравнению с влажными ветрами, направленными на сушу. Для адекватного количества осадков и комфортных летних температур окружающей среды (ниже 35 °C) на суше предпочтительнее иметь влажные ветры, направленные на сушу, с океана. Создание зон высокого давления путем выборочного искусственного подъема глубинных вод в районе моря также может использоваться для отклонения / направления обычных муссонных глобальных ветров в сторону суши. Искусственный подъем богатых питательными веществами глубинных океанских вод на поверхность также усиливает рост рыболовства в районах с тропической и умеренной погодой. [99] Это также приведет к усилению секвестрации углерода океанами из-за улучшения роста водорослей и увеличения массы ледников из-за дополнительного выпадения снега, что смягчит повышение уровня моря или процесс глобального потепления . [ необходима цитата ] Тропические циклоны также не проходят через зоны высокого давления, поскольку они усиливаются, получая энергию из теплых поверхностных вод моря.
Холодная глубоководная морская вода (<10 °C) закачивается в область поверхности моря для подавления температуры поверхности моря (>26 °C) искусственным путем с использованием электроэнергии, вырабатываемой плавучими ветряными электростанциями мегамасштаба на глубоком море. Более низкая температура поверхности морской воды увеличит локальное давление окружающей среды, так что будут созданы атмосферные ветры, направленные на сушу. Для подъема холодной морской воды на дно глубокого моря на глубине от 500 до 1000 м расположен стационарный гидравлический винт (диаметром ≈50 м) с гибкой тяговой трубой, простирающейся до поверхности моря. Тяговая труба прикреплена к морскому дну своей нижней стороной, а верхней стороной к плавающим понтонам на поверхности моря. Гибкая тяговая труба не разрушится, поскольку ее внутреннее давление больше по сравнению с внешним давлением, когда более холодная вода закачивается на поверхность моря. Ближний Восток, северо-восточная Африка, Индийский субконтинент и Австралия могут получить облегчение от жаркой и сухой погоды в летний сезон, также подверженной нерегулярным осадкам, путем перекачивания глубинной морской воды на поверхность моря из Персидского залива, Красного моря, Индийского океана и Тихого океана соответственно. [ необходима ссылка ]
Строгий анализ OTEC показывает, что разница температур в 20 °C обеспечит столько же энергии, сколько гидроэлектростанция с напором 34 м для того же объема потока воды. [ требуется ссылка ] Низкая разница температур означает, что объемы воды должны быть очень большими для извлечения полезного количества тепла. Ожидается, что электростанция мощностью 100 МВт будет перекачивать порядка 12 миллионов галлонов (44 400 тонн) в минуту. [100] Для сравнения, насосы должны перемещать массу воды, превышающую вес линкора Bismarck , который весил 41 700 тонн, каждую минуту. Это делает перекачку существенной паразитной утечкой энергии на производство энергии в системах OTEC, при этом одна конструкция Lockheed потребляет 19,55 МВт затрат на перекачку на каждые 49,8 МВт чистой выработанной электроэнергии. Для схем OTEC, использующих теплообменники, для обработки такого объема воды теплообменники должны быть огромными по сравнению с теми, которые используются на обычных тепловых электростанциях, [101] что делает их одним из самых важных компонентов из-за их влияния на общую эффективность. Электростанция OTEC мощностью 100 МВт потребует 200 теплообменников, каждый из которых больше 20-футового грузового контейнера, что делает их самым дорогим компонентом. [102]
Общая инсоляция, получаемая океанами (покрывающими 70% поверхности Земли, с индексом прозрачности 0,5 и средним энергосбережением 15%), составляет: 5,45× 1018 МДж/год × 0,7 × 0,5 × 0,15 = 2,87×1017 МДж /год.
Мы можем использовать закон Бугера-Ламберта-Бера для количественной оценки поглощения солнечной энергии водой,
где, y - глубина воды, I - интенсивность, а μ - коэффициент поглощения. Решая приведенное выше дифференциальное уравнение ,
Коэффициент поглощения μ может варьироваться от 0,05 м −1 для очень чистой пресной воды до 0,5 м −1 для очень соленой воды.
Поскольку интенсивность экспоненциально падает с глубиной y , поглощение тепла концентрируется в верхних слоях. Обычно в тропиках значения температуры поверхности превышают 25 °C (77 °F), тогда как на глубине 1 км (0,62 мили) температура составляет около 5–10 °C (41–50 °F). Более теплые (и, следовательно, более легкие) воды на поверхности означают отсутствие тепловых конвекционных потоков . Из-за небольших градиентов температуры передача тепла путем теплопроводности слишком мала, чтобы уравнять температуры. Таким образом, океан является как практически бесконечным источником тепла, так и практически бесконечным поглотителем тепла. [ необходимо разъяснение ]
Эта разница температур меняется в зависимости от широты и сезона, с максимумом в тропических , субтропических и экваториальных водах. Поэтому тропики, как правило, являются лучшими местами для OTEC.
В этой схеме теплая поверхностная вода температурой около 27 °C (81 °F) поступает в испаритель под давлением немного ниже давления насыщения, что приводит к ее испарению.
Где H f — энтальпия жидкой воды при температуре на входе T 1 .
Эта временно перегретая вода подвергается объемному кипению в отличие от кипения в бассейне в обычных котлах, где нагревательная поверхность находится в контакте. Таким образом, вода частично испаряется в пар с преобладанием двухфазного равновесия. Предположим, что давление внутри испарителя поддерживается на уровне давления насыщения, T 2 .
Здесь x 2 — это доля воды по массе, которая испаряется. Массовый расход теплой воды на единицу массового расхода турбины равен 1/ x 2 .
Низкое давление в испарителе поддерживается вакуумным насосом , который также удаляет из испарителя растворенные неконденсирующиеся газы. Теперь испаритель содержит смесь воды и пара с очень низким качеством пара (содержанием пара). Пар отделяется от воды как насыщенный пар. Оставшаяся вода насыщается и сбрасывается в океан в открытом цикле. Пар является рабочей жидкостью низкого давления/высокого удельного объема . Он расширяется в специальной турбине низкого давления.
Здесь H g соответствует T 2. Для идеальной изэнтропической ( обратимой адиабатической ) турбины,
Приведенное выше уравнение соответствует температуре на выходе турбины, T 5 . x 5, s — массовая доля пара в состоянии 5.
Энтальпия при T 5 равна:
Эта энтальпия ниже. Адиабатическая обратимая работа турбины = H 3 - H 5, с .
Фактическая работа турбины W T = ( H 3 - H 5, s ) x политропный КПД
Температура и давление конденсатора ниже. Поскольку выхлоп турбины должен быть сброшен обратно в океан, используется конденсатор прямого контакта для смешивания выхлопа с холодной водой, что приводит к почти насыщенной воде. Теперь эта вода сбрасывается обратно в океан.
H 6 = H f , при T 5 . T 7 - температура выхлопных газов, смешанных с холодной морской водой, поскольку содержание пара теперь пренебрежимо мало,
Разница температур между ступенями включает разницу температур между теплой поверхностной водой и рабочим паром, разницу температур между отработавшим паром и охлаждающей водой, разницу температур между охлаждающей водой, достигающей конденсатора, и глубинной водой. Они представляют собой внешние необратимости , которые уменьшают общую разницу температур.
Расход холодной воды на единицу массового расхода турбины,
Массовый расход турбины,
Массовый расход теплой воды,
Массовый расход холодной воды
Как было разработано в 1960-х годах Дж. Гильбертом Андерсоном из Sea Solar Power, Inc., в этом цикле Q H — это тепло, переданное в испарителе от теплой морской воды к рабочей жидкости. Рабочая жидкость выходит из испарителя в виде газа вблизи точки росы .
Затем газ высокого давления и высокой температуры расширяется в турбине, производя работу турбины W T. Рабочее тело слегка перегревается на выходе турбины, и турбина обычно имеет КПД 90% на основе обратимого адиабатического расширения.
С выхода турбины рабочая жидкость поступает в конденсатор, где она отдает тепло, -Q C , холодной морской воде. Затем конденсат сжимается до самого высокого давления в цикле, требуя работы конденсатного насоса, W C . Таким образом, замкнутый цикл Андерсона представляет собой цикл типа Ренкина, аналогичный обычному паровому циклу электростанции, за исключением того, что в цикле Андерсона рабочая жидкость никогда не перегревается более чем на несколько градусов по Фаренгейту . Из-за эффектов вязкости давление рабочей жидкости падает как в испарителе, так и в конденсаторе. Это падение давления, которое зависит от типов используемых теплообменников, должно учитываться в окончательных расчетах конструкции, но здесь игнорируется для упрощения анализа. Таким образом, паразитная работа конденсатного насоса, W C , вычисленная здесь, будет ниже, чем если бы было включено падение давления теплообменника. Основными дополнительными паразитными энергетическими потребностями в установке OTEC являются работа насоса холодной воды, W CT , и работа насоса теплой воды, W HT . Обозначая все остальные паразитные потребности в энергии как W A , чистая работа от установки OTEC, W NP равняется
Термодинамический цикл, пройденный рабочей жидкостью, можно проанализировать без детального рассмотрения паразитных энергетических потребностей. Из первого закона термодинамики энергетический баланс для рабочей жидкости как системы равен
где W N = W T + W C — чистая работа термодинамического цикла. Для идеализированного случая, когда в теплообменниках нет перепада давления рабочей жидкости,
и
так что чистая термодинамическая работа цикла становится
Переохлажденная жидкость поступает в испаритель. В результате теплообмена с теплой морской водой происходит испарение, и обычно перегретый пар покидает испаритель. Этот пар приводит в действие турбину, а двухфазная смесь поступает в конденсатор. Обычно переохлажденная жидкость покидает конденсатор, и, наконец, эта жидкость перекачивается в испаритель, завершая цикл.
Углекислый газ, растворенный в глубоких холодных и высоконапорных слоях, выносится на поверхность и высвобождается по мере нагревания воды. [ необходима цитата ]
Смешение глубинной океанской воды с мелководьем приносит питательные вещества и делает их доступными для мелководной жизни. Это может быть преимуществом для аквакультуры коммерчески важных видов, но также может нарушить равновесие экологической системы вокруг электростанции.
Заводы OTEC используют очень большие потоки теплой поверхностной морской воды и холодной глубинной морской воды для генерации постоянной возобновляемой энергии. Глубокая морская вода бедна кислородом и, как правило, в 20–40 раз более богата питательными веществами (нитратами и нитритами), чем мелководная морская вода. Когда эти струи смешиваются, они становятся немного плотнее окружающей морской воды. [103] Хотя крупномасштабные физические экологические испытания OTEC не проводились, были разработаны компьютерные модели для имитации эффекта заводов OTEC.
В 2010 году была разработана компьютерная модель для моделирования физических океанографических эффектов одной или нескольких 100-мегаваттных установок OTEC. Модель предполагает, что установки OTEC могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы установка могла вести непрерывную работу, с результирующими колебаниями температуры и питательных веществ, которые находятся в пределах естественных уровней. Исследования на сегодняшний день показывают, что при сбросе потоков OTEC вниз на глубину ниже 70 метров разбавление является достаточным, а обогащение питательных веществ достаточно малым, чтобы 100-мегаваттные установки OTEC могли работать устойчивым образом на постоянной основе. [104]
Питательные вещества из сброса OTEC могут потенциально вызвать повышенную биологическую активность, если они накапливаются в больших количествах в фотической зоне . [104] В 2011 году биологический компонент был добавлен в гидродинамическую компьютерную модель для моделирования биологического ответа на выбросы от 100-мегаваттных установок OTEC. Во всех моделируемых случаях (сброс на глубине 70 метров или более) не происходит никаких неестественных изменений в верхних 40 метрах поверхности океана. [103] Реакция пикопланктона в слое глубины 110-70 метров составляет приблизительно 10-25% увеличения, что вполне соответствует естественной изменчивости. Реакция нанопланктона незначительна. Повышение продуктивности диатомовых водорослей (микропланктона) невелико. Незначительное увеличение фитопланктона базовой установки OTEC предполагает, что биохимические эффекты более высокого порядка будут очень незначительными. [103]
Предыдущее Окончательное заявление о воздействии на окружающую среду (EIS) для NOAA США от 1981 года доступно, [105], но его необходимо привести в соответствие с современными океанографическими и инженерными стандартами. Были проведены исследования, чтобы предложить наилучшие методы мониторинга исходного состояния окружающей среды, сосредоточившись на наборе из десяти химических океанографических параметров, относящихся к OTEC. [106] Совсем недавно NOAA провело семинар OTEC в 2010 и 2012 годах, стремясь оценить физические, химические и биологические воздействия и риски, а также выявить информационные пробелы или потребности. [107] [108]
База данных Tethys обеспечивает доступ к научной литературе и общей информации о потенциальном воздействии OTEC на окружающую среду. [109]
Производительность теплообменников прямого контакта, работающих при типичных граничных условиях OTEC, важна для цикла Клода. Во многих ранних конструкциях цикла Клода использовался поверхностный конденсатор, поскольку их производительность была хорошо изучена. Однако конденсаторы прямого контакта имеют существенные недостатки. По мере того, как холодная вода поднимается во впускной трубе, давление падает до точки, в которой начинает выделяться газ. Если из раствора выходит значительное количество газа, размещение газовой ловушки перед теплообменниками прямого контакта может быть оправдано. Эксперименты, имитирующие условия впускной трубы теплой воды, показали, что около 30% растворенного газа выделяется в верхних 8,5 метрах (28 футов) трубы. Компромисс между предварительной деаэрацией [110] морской воды и вытеснением неконденсирующихся газов из конденсатора зависит от динамики выделения газа, эффективности деаэратора, потери напора, эффективности компрессора вентиляционного отверстия и паразитной мощности. Экспериментальные результаты показывают, что конденсаторы с вертикальным носиком работают примерно на 30% лучше, чем конденсаторы с падающей струей.
Поскольку сырая морская вода должна проходить через теплообменник, необходимо соблюдать осторожность для поддержания хорошей теплопроводности . Биообрастание слоями толщиной от 25 до 50 микрометров (от 0,00098 до 0,00197 дюйма) может ухудшить производительность теплообменника на целых 50%. [46] Исследование 1977 года, в котором имитирующие теплообменники подвергались воздействию морской воды в течение десяти недель, пришло к выводу, что, хотя уровень микробного загрязнения был низким, теплопроводность системы была значительно нарушена. [111] Очевидное несоответствие между уровнем загрязнения и ухудшением теплопередачи является результатом тонкого слоя воды, удерживаемого микробным ростом на поверхности теплообменника. [111]
Другое исследование пришло к выводу, что загрязнение ухудшает производительность с течением времени, и определило, что хотя регулярная чистка щеткой могла удалить большую часть микробного слоя, со временем образовывался более прочный слой, который нельзя было удалить простой чисткой. [46] Исследование пропускало через систему шарики из губчатой резины. Оно пришло к выводу, что хотя обработка шариками снижала скорость загрязнения, этого было недостаточно, чтобы полностью остановить рост, и чистка щеткой иногда была необходима для восстановления производительности. Микробы восстанавливались быстрее позже в ходе эксперимента (т. е. чистка щеткой стала необходимой чаще), что повторяет результаты предыдущего исследования. [112] Повышенная скорость роста после последующих чисток, по-видимому, является результатом селекционного давления на микробную колонию. [112]
Изучались непрерывное использование в течение 1 часа в день и прерывистые периоды свободного загрязнения, а затем периоды хлорирования (снова 1 час в день). Хлорирование замедлило, но не остановило рост микробов; однако уровни хлорирования 0,1 мг на литр в течение 1 часа в день могут оказаться эффективными для долгосрочной эксплуатации установки. [46] Исследование пришло к выводу, что хотя микробное загрязнение было проблемой для теплообменника с теплой поверхностью воды, теплообменник с холодной водой почти не страдал от биозагрязнения и имел лишь минимальное неорганическое загрязнение. [46]
Помимо температуры воды, микробное загрязнение также зависит от уровня питательных веществ, причем рост происходит быстрее в воде, богатой питательными веществами. [113] Скорость загрязнения также зависит от материала, используемого для изготовления теплообменника. Алюминиевые трубки замедляют рост микробной жизни, хотя оксидный слой, который образуется на внутренней стороне труб, усложняет очистку и приводит к большим потерям эффективности. [112] Напротив, титановые трубки позволяют биообрастанию происходить быстрее, но очистка более эффективна, чем с алюминием. [112]
Испаритель, турбина и конденсатор работают в частичном вакууме в диапазоне от 3% до 1% от атмосферного давления. Система должна быть тщательно герметизирована, чтобы предотвратить подсос атмосферного воздуха, который может ухудшить или остановить работу. В замкнутом цикле OTEC удельный объем пара низкого давления очень велик по сравнению с объемом рабочей жидкости под давлением. Компоненты должны иметь большие площади потока, чтобы скорости пара не достигали чрезмерно высоких значений.
Подход к снижению паразитных потерь мощности выхлопного компрессора заключается в следующем. После того, как большая часть пара конденсируется конденсаторами носика, неконденсирующаяся смесь газа и пара пропускается через область противотока, что увеличивает реакцию газа и пара в пять раз. Результатом является снижение потребности в мощности выхлопного насоса на 80%.
Зимой в прибрежных арктических районах разница температур между морской водой и окружающим воздухом может достигать 40 °C (72 °F). Системы замкнутого цикла могли бы использовать разницу температур воздуха и воды. Устранение труб для забора морской воды может сделать систему, основанную на этой концепции, менее дорогой, чем OTEC. Эта технология принадлежит Х. Баржоту, который предложил бутан в качестве криогена из-за его температуры кипения −0,5 °C (31,1 °F) и его нерастворимости в воде. [114] Предполагая реалистичный уровень эффективности 4%, расчеты показывают, что количество энергии, вырабатываемой одним кубическим метром воды при температуре 2 °C (36 °F) в месте с температурой воздуха −22 °C (−8 °F), равно количеству энергии, вырабатываемой при пропускании этого кубического метра воды через гидроэлектростанцию высотой 4000 футов (1200 м). [115]
Полярные электростанции Barjot могут быть расположены на островах в полярном регионе или спроектированы как плавающие баржи или платформы, прикрепленные к ледяной шапке . Например, метеостанция Myggbuka на восточном побережье Гренландии, которая находится всего в 2100 км от Глазго, фиксирует среднемесячные температуры ниже −15 °C (5 °F) в течение 6 зимних месяцев в году. [116]
В 1979 году SERI предложил использовать эффект Зеебека для производства энергии с общей эффективностью преобразования 2%. [117]
В 2014 году Липин Лю, доцент Ратгерского университета, представил систему OTEC, которая использует твердотельный термоэлектрический эффект вместо традиционно используемых жидкостных циклов. [118] [119]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )