Преобразование тепловой энергии океана ( OTEC ) – это технология возобновляемой энергии , которая использует разницу температур между теплыми поверхностными водами океана и холодными глубинами для производства электроэнергии . Это уникальная форма производства экологически чистой энергии , которая потенциально может стать стабильным и устойчивым источником энергии. Несмотря на то, что OTEC еще предстоит преодолеть трудности, у него есть потенциал обеспечить постоянный и устойчивый источник чистой энергии, особенно в тропических регионах с доступом к глубоким водам океана .
OTEC использует температурный градиент океана между более прохладными глубокими и более теплыми мелководными или поверхностными морскими водами для запуска теплового двигателя и производства полезной работы , обычно в форме электричества . OTEC может работать с очень высоким коэффициентом мощности и поэтому может работать в режиме базовой нагрузки .
Более плотные массы холодной воды, образующиеся в результате взаимодействия поверхностных вод океана с холодной атмосферой в весьма специфических районах Северной Атлантики и Южного океана , опускаются в глубоководные морские котловины и распространяются по всей глубине океана за счет термохалинной циркуляции . Апвеллинг холодных вод из глубин океана восполняется нисходящим потоком холодных поверхностных морских вод.
Среди источников энергии океана OTEC является одним из постоянно доступных возобновляемых источников энергии , которые могут способствовать энергоснабжению базовой нагрузки. [1] Ресурсный потенциал OTEC считается намного большим, чем у других форм энергии океана. [2] До 10 000 ТВтч электроэнергии в год можно производить с помощью OTEC, не влияя на тепловую структуру океана. [3]
Системы могут быть как замкнутого, так и открытого цикла. В OTEC замкнутого цикла используются рабочие жидкости, которые обычно считаются хладагентами , такими как аммиак или R-134a . Эти жидкости имеют низкую температуру кипения и поэтому подходят для питания генератора системы для выработки электроэнергии. На сегодняшний день наиболее часто используемым тепловым циклом для OTEC является цикл Ренкина с использованием турбины низкого давления. В двигателях открытого цикла в качестве рабочей жидкости используются пары самой морской воды .
OTEC также может поставлять определенное количество холодной воды в качестве побочного продукта. Это можно использовать для кондиционирования воздуха и охлаждения, а богатая питательными веществами глубоководная океанская вода может служить основой для биологических технологий. Еще одним побочным продуктом является пресная вода, дистиллированная из моря. [4]
Теория OTEC была впервые разработана в 1880-х годах, а первая демонстрационная модель настольного размера была построена в 1926 году. В настоящее время действующие пилотные заводы OTEC расположены в Японии под контролем Университета Сага и Макай 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] Позже завод был разрушен во время шторма. [9]
В 1935 году Клод построил завод на борту грузового судна водоизмещением 10 000 тонн , пришвартованного у берегов Бразилии. Погода и волны уничтожили его прежде, чем он смог генерировать чистую электроэнергию. [8] (Полезная мощность — это количество энергии, вырабатываемой за вычетом мощности, необходимой для работы системы).
В 1956 году французские учёные спроектировали электростанцию мощностью 3 МВт для Абиджана , Кот-д’Ивуар. Завод так и не был достроен, поскольку новые открытия большого количества дешевой нефти сделали его нерентабельным. [8]
В 1962 году Дж. Хилберт Андерсон и Джеймс Х. Андерсон-младший сосредоточили внимание на повышении эффективности компонентов. Они запатентовали свою новую конструкцию «замкнутого цикла» в 1967 году. [10] Эта конструкция усовершенствовала оригинальную систему Ренкина с замкнутым циклом и включила ее в схему электростанции, которая будет производить электроэнергию с меньшими затратами, чем нефть или уголь. Однако в то время их исследования не привлекли особого внимания, поскольку уголь и атомная энергия считались будущим энергетики. [9]
Япония вносит основной вклад в развитие технологии OTEC. [11] Начиная с 1970 года Токийская электроэнергетическая компания успешно построила и ввела в эксплуатацию электростанцию OTEC замкнутого цикла мощностью 100 кВт на острове Науру . [11] Завод вступил в строй 14 октября 1981 года, производя около 120 кВт электроэнергии; 90 кВт было использовано для питания электростанции, а оставшаяся электроэнергия была использована для питания школы и других мест. [8] Это установило мировой рекорд по выходной мощности системы OTEC, где энергия направлялась в реальную (а не экспериментальную) энергосистему. [12]
В 1981 году также произошел значительный шаг вперед в технологии OTEC, когда российский инженер доктор Александр Калина применил смесь аммиака и воды для производства электроэнергии. Эта новая смесь аммиака и воды значительно повысила эффективность энергетического цикла. В 1994 году Институт энергетики океана Университета Сага спроектировал и построил установку мощностью 4,5 кВт с целью испытания недавно изобретенного цикла Уэхара, также названного в честь его изобретателя Харуо Уэхара. В этот цикл включены процессы поглощения и экстракции, которые позволяют данной системе превосходить цикл Калины на 1–2%. [13]
В 1970-е годы наблюдался всплеск исследований и разработок OTEC во время арабо-израильской войны 1973 года, в результате которой цены на нефть выросли в три раза. Федеральное правительство США вложило 260 миллионов долларов в исследования OTEC после того, как президент Картер подписал закон, который обязывает США производить к 1999 году 10 000 МВт электроэнергии из систем OTEC. [14]
В 1974 году США основали Лабораторию естественной энергии Гавайского управления (NELHA) в мысе Кихол на побережье Кона на Гавайях . Гавайи являются лучшим местом OTEC в США из-за теплых поверхностных вод, доступа к очень глубокой и очень холодной воде и высоких затрат на электроэнергию. Лаборатория стала ведущим испытательным центром технологии OTEC. [15] В том же году компания Lockheed получила грант Национального научного фонда США на исследование OTEC. В конечном итоге это привело к тому, что Lockheed, ВМС США, Makai Ocean Engineering, Dillingham Construction и другие фирмы попытались построить первый и единственный в мире завод по производству чистой энергии OTEC, получивший название «Mini-OTEC» [ 16 ]. 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 электростанция мощностью 105 кВт на этом месте начала поставлять энергию в местную электросеть в 2015 году. [17]
Европейская инициатива EUROCEAN - совместное предприятие, финансируемое из частных источников 9 европейских компаний, уже занимающихся морским инжинирингом, - активно продвигало OTEC с 1979 по 1983 год. Первоначально изучалось крупномасштабное морское сооружение. Позже была изучена наземная установка мощностью 100 кВт, сочетающая наземную OTEC с опреснением и аквакультурой, получившую название ODA. Это было основано на результатах небольшого предприятия по аквакультуре на острове Санта-Крус, которое использовало глубоководный трубопровод для подачи воды в аквакультурные бассейны. Также была исследована береговая установка открытого цикла. Местом исследования был остров Кюрасао , относящийся к Голландскому королевству . [ нужна цитата ]
Исследования, связанные с воплощением в реальность OTEC с открытым циклом, серьезно начались в 1979 году в Научно-исследовательском институте солнечной энергии (SERI) при финансовой поддержке Министерства энергетики США. Испарители и конденсаторы прямого контакта соответствующей конфигурации были разработаны и запатентованы SERI (см. [18] [19] [20] ). Оригинальный план эксперимента по выработке электроэнергии, названный тогда экспериментом на 165 кВт, был описан Крейтом и Бхаратаном [21] и [22] как лекция на премию Мемориала Макса Якоба . В первоначальной конструкции использовались две параллельные осевые турбины с роторами последней ступени, взятыми из больших паровых турбин. Позже группа под руководством доктора Бхаратана из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) разработала первоначальный концептуальный проект обновленного эксперимента OTEC открытого цикла мощностью 210 кВт ( [23] ). Эта конструкция объединила все компоненты цикла, а именно испаритель, конденсатор и турбину, в один вакуумный сосуд, причем турбина была установлена сверху, чтобы предотвратить попадание воды в нее. Сосуд был изготовлен из бетона и стал первым технологическим вакуумным сосудом такого типа. Попытки изготовить все компоненты из дешевого пластика не смогли быть полностью реализованы, поскольку требовался некоторый консерватизм для турбины и вакуумных насосов, разработанных как первые в своем роде. Позже доктор Бхаратан работал с командой инженеров Тихоокеанского института исследований высоких технологий (PICHTR) над дальнейшей разработкой этой конструкции на предварительных и заключительных стадиях. Он был переименован в «Эксперимент по производству чистой энергии» (NPPE) и был построен в Лаборатории естественной энергии Гавайев (NELH) компанией PICHTR командой под руководством главного инженера Дона Эванса, а проектом руководил доктор Луис Вега.
В 2002 году Индия испытала пилотную плавучую электростанцию OTEC мощностью 1 МВт недалеко от Тамил Наду. Завод в конечном итоге потерпел неудачу из-за выхода из строя глубоководного трубопровода холодной воды. [24] Ее правительство продолжает спонсировать исследования. [25]
В 2006 году компания Makai Ocean Engineering получила контракт от Управления военно-морских исследований США (ONR) на исследование возможности OTEC производить значимые для страны количества водорода на морских плавучих установках, расположенных в теплых тропических водах. Понимая необходимость того, чтобы более крупные партнеры фактически коммерциализировали OTEC, Макай обратился к Lockheed Martin с просьбой возобновить их прежние отношения и определить, пришло ли время для OTEC. Итак, в 2007 году Lockheed Martin возобновила работу в OTEC и стала субподрядчиком Makai для поддержки их SBIR, за чем последовали другие последующие сотрудничества [16]
В марте 2011 года Ocean Thermal Energy Corporation подписала Соглашение об энергетических услугах (ESA) с курортом Баха Мар в Нассау, Багамы, о первой и крупнейшей в мире системе кондиционирования морской воды (SWAC). [26] В июне 2015 года проект был поставлен на паузу, пока на курорте решались финансовые вопросы и вопросы собственности. [27] В августе 2016 года было объявлено, что проблемы решены и курорт откроется в марте 2017 года. [28] Ожидается, что в это время возобновится строительство системы SWAC.
В июле 2011 года компания Makai Ocean Engineering завершила проектирование и строительство испытательной установки теплообменников OTEC в Лаборатории естественной энергии на Гавайях . Целью предприятия является разработка оптимальной конструкции теплообменников OTEC, повышение производительности и срока службы при одновременном снижении затрат (теплообменники являются фактором затрат №1 для установки OTEC). [29] А в марте 2013 года компания Makai объявила о заключении контракта на установку и эксплуатацию турбины мощностью 100 киловатт на испытательном стенде теплообменников OTEC, а также на повторное подключение мощности OTEC к сети. [30] [31]
В июле 2016 года Комиссия по коммунальным услугам Виргинских островов одобрила заявку Ocean Thermal Energy Corporation на получение статуса квалифицированного объекта. Таким образом, компании разрешено начать переговоры с Управлением водоснабжения и энергетики Виргинских островов (WAPA) по заключению соглашения о покупке электроэнергии (PPA), относящегося к заводу по преобразованию тепловой энергии океана (OTEC) на острове Санта-Крус. Это будет первая в мире коммерческая установка OTEC. [32] [33]
В марте 2013 года Университет Сага совместно с различными предприятиями Японии завершил монтаж нового завода OTEC. Префектура Окинава объявила о начале испытаний OTEC на острове Куме 15 апреля 2013 года. Основная цель — доказать достоверность компьютерных моделей и продемонстрировать OTEC общественности. Испытания и исследования будут проводиться при поддержке Университета Сага до конца 2016 финансового года. IHI Plant Construction Co. Ltd, Yokogawa Electric Corporation и Xenesys Inc было поручено построить электростанцию мощностью 100 киловатт на территории префектуры Окинава. Центр исследования глубоководных вод. Это место было специально выбрано для использования существующих водозаборных труб глубоководной и поверхностной морской воды, установленных для исследовательского центра в 2000 году. Труба используется для забора глубоководной морской воды для исследований, рыболовства и сельского хозяйства. Установка состоит из двух агрегатов мощностью 50 кВт в двойной конфигурации Рэнкина. [34] Объект OTEC и центр глубоководных исследований открыты для бесплатных общественных экскурсий по предварительной записи на английском и японском языках. [35] В настоящее время это один из двух полностью действующих заводов OTEC в мире. Эта установка работает непрерывно, когда не проводятся специальные испытания.
В 2011 году компания Makai Ocean Engineering завершила испытательную установку теплообменников в NELHA. Компания Makai, использовавшаяся для тестирования различных технологий теплообмена для использования в OTEC, получила финансирование на установку турбины мощностью 105 кВт. [36] Установка сделает этот объект крупнейшим действующим объектом OTEC, хотя рекорд по наибольшей мощности останется за электростанцией открытого цикла, также построенной на Гавайях.
В июле 2014 года группа DCNS в партнерстве с Akuo Energy объявила о финансировании своего проекта NEMO в размере NER 300. Если бы проект был успешным, морская электростанция общей мощностью 16 МВт и чистой мощностью 10 МВт стала бы крупнейшим объектом OTEC на сегодняшний день. DCNS планировала ввести NEMO в эксплуатацию к 2020 году. [37] [ проверка не удалась ] В начале апреля 2018 года компания Naval Energies закрыла проект на неопределенный срок из-за технических трудностей, связанных с основным водозаборным трубопроводом холодной воды. [38]
Электростанция по преобразованию тепловой энергии океана, построенная компанией Makai Ocean Engineering, была введена в эксплуатацию на Гавайях в августе 2015 года. Губернатор Гавайев Дэвид Айге «щелкнул выключателем», чтобы активировать станцию. Это первая настоящая установка по преобразованию тепловой энергии океана (OTEC) замкнутого цикла, подключенная к электрической сети США. Это демонстрационная установка, способная вырабатывать 105 киловатт, чего достаточно для обеспечения электроэнергией около 120 домов. [39]
Тепловой двигатель дает больший КПД при работе с большой разницей температур . В океанах разница температур между поверхностными и глубокими водами самая большая в тропиках , хотя все еще составляет скромные 20–25 °C. Поэтому именно в тропиках OTEC предлагает наибольшие возможности. [4] OTEC обладает потенциалом предлагать глобальные объемы энергии, которые в 10–100 раз превышают другие варианты энергии океана, такие как энергия волн . [40] [41]
Установки OTEC могут работать непрерывно, обеспечивая базовую нагрузку для системы производства электроэнергии. [4]
Основная техническая задача OTEC — эффективно генерировать значительное количество энергии за счет небольших перепадов температур. Это все еще считается новой технологией . Ранние системы OTEC имели термический КПД от 1 до 3 процентов , что значительно ниже теоретического максимума в 6 и 7 процентов для этой разницы температур. [42] Современные конструкции позволяют достичь производительности, приближающейся к теоретическому максимальному КПД Карно .
Холодная морская вода является неотъемлемой частью каждого из трех типов систем OTEC: замкнутого, открытого и гибридного цикла. Для работы холодную морскую воду необходимо поднять на поверхность. Основными подходами являются активная откачка и опреснение. Опреснение морской воды у морского дна снижает ее плотность, что приводит к ее подъему на поверхность. [43]
Альтернативой дорогостоящим трубам для подачи конденсирующейся холодной воды на поверхность является закачка испаренной жидкости с низкой температурой кипения в глубину для конденсации, что позволяет сократить объемы перекачки, уменьшить технические и экологические проблемы и снизить затраты. [44]
В системах замкнутого цикла для питания турбины для выработки электроэнергии используется жидкость с низкой температурой кипения, например аммиак (с температурой кипения около -33 °C при атмосферном давлении) . 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 результате которого было впервые успешно произведено в море чистой электроэнергии с помощью OTEC замкнутого цикла. [45] Мини-судно OTEC было пришвартовано в 1,5 милях (2,4 км) от гавайского побережья и производило достаточно чистой электроэнергии для освещения лампочек корабля, а также для работы его компьютеров и телевидения.
OTEC открытого цикла использует теплую поверхностную воду непосредственно для производства электроэнергии. Теплая морская вода сначала закачивается в контейнер низкого давления, в результате чего она закипает. В некоторых схемах расширяющийся пар приводит в движение турбину низкого давления, присоединенную к электрическому генератору . Пар, оставивший соли и другие загрязнения в контейнере низкого давления, представляет собой чистую пресную воду. Он конденсируется в жидкость под воздействием низких температур глубоководной океанской воды. Этот метод позволяет получить опресненную пресную воду, пригодную для питья , орошения или аквакультуры . [46]
В других схемах восходящий пар используется в газлифтной технике подъема воды на значительную высоту. В зависимости от варианта осуществления такие технологии пароподъемных насосов вырабатывают энергию от гидроэлектрической турбины либо до, либо после использования насоса. [47]
В 1984 году Научно-исследовательский институт солнечной энергии (ныне известный как Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии ) разработал испаритель с вертикальным изливом для преобразования теплой морской воды в пар низкого давления для электростанций открытого цикла. Эффективность преобразования морской воды в пар достигала 97% (общее производство пара составляло лишь несколько процентов от поступающей воды). В мае 1993 года установка OTEC открытого цикла в Кихол-Пойнт, Гавайи, в ходе эксперимента по выработке чистой электроэнергии произвела около 80 кВт электроэнергии. [48] Это побило рекорд в 40 кВт, установленный японской системой в 1982 году. [48]
Гибридный цикл сочетает в себе особенности систем закрытого и открытого цикла. В гибриде теплая морская вода поступает в вакуумную камеру и мгновенно испаряется, аналогично процессу испарения с открытым циклом. Пар испаряет рабочую жидкость аммиака в контуре замкнутого цикла на другой стороне испарителя аммиака. Испаренная жидкость затем приводит в движение турбину для производства электроэнергии. Пар конденсируется внутри теплообменника и дает опресненную воду (см. тепловую трубку ). [49]
Популярным выбором рабочей жидкости является аммиак, который обладает превосходными транспортными свойствами, легкой доступностью и низкой стоимостью. Однако аммиак токсичен и легковоспламеняем. Фторированные углероды, такие как ХФУ и ГХФУ , не токсичны и не огнеопасны, но способствуют разрушению озонового слоя. Углеводороды тоже являются хорошими кандидатами, но они легко воспламеняются; кроме того, это создаст конкуренцию за использование их непосредственно в качестве топлива. Размер силовой установки зависит от давления паров рабочей жидкости. С увеличением давления пара размер турбины и теплообменников уменьшается, а толщина стенок труб и теплообменников увеличивается, чтобы выдерживать высокое давление, особенно на стороне испарителя.
OTEC имеет потенциал для производства гигаватт электроэнергии, а в сочетании с электролизом может производить достаточно водорода, чтобы полностью заменить все прогнозируемое глобальное потребление ископаемого топлива. [ нужна цитата ] Однако сокращение затрат остается нерешенной проблемой. Для установок OTEC требуется длинная водозаборная труба большого диаметра, которая погружается на глубину километра и более в глубины океана, чтобы доставлять холодную воду на поверхность.
Наземные и прибрежные объекты имеют три основных преимущества перед объектами, расположенными на глубокой воде. Электростанции, построенные на суше или вблизи нее, не требуют сложной швартовки, длинных силовых кабелей или более тщательного обслуживания, связанного с условиями открытого океана. Их можно устанавливать в защищенных местах, чтобы они были относительно защищены от штормов и сильного волнения на море. Электричество, опресненная вода и холодная, богатая питательными веществами морская вода могут передаваться от прибрежных объектов через эстакады или дамбы. Кроме того, наземные или прибрежные площадки позволяют предприятиям работать в смежных отраслях, таких как марикультура или те, где требуется опресненная вода.
К предпочтительным местам относятся места с узкими шельфами (вулканические острова), крутыми (15–20 градусов) морскими склонами и относительно ровным морским дном. Эти места минимизируют длину впускной трубы. Наземную электростанцию можно построить вдали от берега, обеспечивая 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 использованием охлажденной воды. Резервуары или лагуны, построенные на берегу, позволяют работникам отслеживать и контролировать миниатюрную морскую среду. Продукты марикультуры могут доставляться на рынок стандартным транспортом.
Одним из недостатков наземных сооружений является турбулентное волновое воздействие в зоне прибоя . Сливные трубы OTEC следует размещать в защитных траншеях, чтобы предотвратить их чрезмерную нагрузку во время штормов и длительных периодов сильного волнения на море. Кроме того, смешанный сброс холодной и теплой морской воды, возможно, придется переносить на несколько сотен метров от берега, чтобы достичь необходимой глубины, прежде чем он будет выпущен, что потребует дополнительных затрат на строительство и техническое обслуживание.
Один из способов, с помощью которого системы OTEC могут избежать некоторых проблем и затрат, связанных с работой в зоне прибоя, — это построить их недалеко от берега, на глубине от 10 до 30 метров (Ocean Thermal Corporation, 1984). В установках этого типа будут использоваться более короткие (и, следовательно, менее дорогостоящие) впускные и выпускные трубы, что позволит избежать опасности турбулентного прибоя. Однако самому заводу потребуется защита от морской среды, такая как волнорезы и устойчивые к эрозии фундаменты, а продукцию завода необходимо будет передавать на берег. [50]
Чтобы избежать турбулентной зоны прибоя, а также приблизиться к источнику холодной воды, установки OTEC можно устанавливать на континентальном шельфе на глубине до 100 метров (330 футов). Полочную установку можно было отбуксировать на площадку и закрепить на морском дне. Этот тип конструкции уже используется для морских нефтяных вышек. Сложности эксплуатации установок OTEC на большей глубине могут сделать их более дорогими, чем наземные подходы. Проблемы включают стресс в условиях открытого океана и более сложную доставку продукции. Решение проблем сильных океанских течений и больших волн увеличивает затраты на проектирование и строительство. Платформы требуют обширных свай для поддержания стабильного основания. Для доставки электроэнергии могут потребоваться длинные подводные кабели, чтобы достичь суши. По этим причинам растения, монтируемые на полках, менее привлекательны. [50] [ нужна ссылка ]
Плавучие объекты OTEC работают на море. Хотя плавучие средства потенциально оптимальны для больших систем, они создают ряд трудностей. Трудность швартовки установок на очень глубокой воде усложняет подачу электроэнергии. Кабели, прикрепленные к плавучим платформам, более подвержены повреждениям, особенно во время штормов. Кабели на глубине более 1000 метров сложны в обслуживании и ремонте. Подъемные кабели, соединяющие морское дно и станцию, должны быть сконструированы таким образом, чтобы они не запутывались. [50]
Как и в случае с полочными установками, плавучим установкам необходима устойчивая основа для непрерывной работы. Сильные штормы и сильное волнение на море могут сломать вертикально подвешенную трубу холодной воды, а также прервать забор теплой воды. Чтобы предотвратить эти проблемы, трубы можно сделать из гибкого полиэтилена, прикрепив их к нижней части платформы и зафиксировав шарнирами или хомутами. Возможно, потребуется отсоединить трубы от установки, чтобы предотвратить повреждение от урагана. В качестве альтернативы трубе теплого водоснабжения поверхностные воды можно забирать непосредственно на платформу; однако необходимо предотвратить повреждение или прерывание впускного потока во время резких движений, вызванных сильным волнением. [50]
Подключение плавучей установки к кабелям подачи электроэнергии требует, чтобы станция оставалась относительно неподвижной. Швартовка является приемлемым методом, но нынешняя технология швартовки ограничена глубиной около 2000 метров (6600 футов). Даже на небольших глубинах стоимость швартовки может оказаться непомерно высокой. [51]
Поскольку объекты OTEC представляют собой более или менее стационарные наземные платформы, на их точное местоположение и правовой статус может повлиять Конвенция Организации Объединенных Наций по морскому праву (UNCLOS). Этот договор предоставляет прибрежным странам зоны протяженностью 12 и 200 морских миль (22 и 370 км) с различной юридической властью от 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 юридического статуса. Заводы OTEC могут восприниматься либо как угроза, либо как потенциальный партнер для рыболовства или операций по добыче полезных ископаемых на морском дне , контролируемых Международным органом по морскому дну .
Поскольку системы OTEC еще не получили широкого распространения, оценка затрат неопределенна. Исследование, проведенное Гавайским университетом в 2010 году, оценило стоимость электроэнергии для OTEC в 94,0 цента за киловатт-час (кВтч) для электростанции мощностью 1,4 МВт, 44,0 цента за кВтч для электростанции мощностью 10 МВт и 18,0 цента за кВтч для электростанции мощностью 100 МВт. [52] В отчете организации Ocean Energy Systems при Международном энергетическом агентстве за 2015 год дается оценка около 20,0 центов за кВтч для электростанций мощностью 100 МВт. [53] Другое исследование оценило затраты на выработку электроэнергии всего в 7,0 центов за кВтч. [54] По сравнению с другими источниками энергии, исследование Lazard, проведенное в 2019 году, оценило несубсидируемую стоимость электроэнергии в 3,2–4,2 цента за кВтч для солнечных фотоэлектрических систем в масштабах коммунальных предприятий и в 2,8–5,4 цента за кВтч для энергии ветра . [55]
В отчете, опубликованном IRENA в 2014 году, утверждается, что коммерческое использование технологии OTEC можно масштабировать различными способами. «...небольшие установки OTEC могут быть созданы для производства электроэнергии в небольших населенных пунктах (5 000–50 000 жителей), но для того, чтобы быть экономически жизнеспособными, потребуется производство ценных побочных продуктов – таких как пресная вода или охлаждение». Более крупные заводы OTEC будут иметь гораздо более высокие накладные расходы и затраты на установку. [56]
Полезные факторы, которые следует принимать во внимание, включают отсутствие у OTEC отходов и потребления топлива, область, в которой он доступен [ нужна ссылка ] (часто в пределах 20 ° от экватора), [57] геополитические последствия нефтяной зависимости, совместимость с альтернативными формами энергии океана, такими как энергия волн, энергия приливов и гидраты метана , а также дополнительное использование морской воды. [58]
Рассматриваемые проекты OTEC включают небольшой завод 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 электростанции OTEC мощностью 13 МВт, которая заменит нынешние дизельные генераторы. Завод OTEC также будет обеспечивать 1,25 миллиона галлонов [ необходимо разъяснение ] в день питьевой воды. Этот проект в настоящее время [ когда? ] ждем изменений в политике США по военным контрактам. OTE предложила построить на Гуаме электростанцию OTEC мощностью 10 МВт .
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 с морской водой (SWAC) для курорта на Багамах, которая будет использовать холодную глубоководную морскую воду в качестве метода кондиционирования воздуха. [59] В середине 2015 года завершенный на 95% проект был временно приостановлен, пока на курорте решались финансовые вопросы и вопросы собственности. [60] 22 августа 2016 г. правительство Багамских островов объявило о подписании нового соглашения, согласно которому курорт Баха Мар будет завершен. [28] 27 сентября 2016 года премьер-министр Багамских островов Перри Кристи объявил, что строительство на Баха Мар возобновилось и что курорт планируется открыть в марте 2017 года. [61]
Это приостановлено и, возможно, никогда не возобновится. [62]
Команда Lockheed Martin по развитию альтернативной энергетики в партнерстве с Makai Ocean Engineering [63] завершила заключительный этап проектирования пилотной системы OTEC замкнутого цикла мощностью 10 МВт, которую планировалось ввести в эксплуатацию на Гавайях в 2012–2013 годах. Эта система была спроектирована для расширения до коммерческих систем мощностью 100 МВт в ближайшем будущем. В ноябре 2010 года Командование инженерных сооружений ВМС США (NAVFAC) заключило с Lockheed Martin модификацию контракта на сумму 4,4 миллиона долларов США на разработку критически важных системных компонентов и конструкций для завода в дополнение к контракту на 8,1 миллиона долларов 2009 года и двум грантам Министерства энергетики на общую сумму более 1 миллиона долларов США. в 2008 и марте 2010 года. [64] В августе 2015 года на Гавайях была открыта небольшая, но действующая установка по преобразованию тепловой энергии океана (OTEC). Открытие научно-исследовательского центра мощностью 100 киловатт ознаменовало первый случай установки OTEC замкнутого цикла. был подключен к энергосистеме США. [65]
13 апреля 2013 года Lockheed заключила контракт с Reignwood Group на строительство электростанции мощностью 10 мегаватт у побережья южного Китая для обеспечения электроэнергией планируемого курорта на острове Хайнань . [66] Электростанция такого размера будет обеспечивать электроэнергией несколько тысяч домов. [67] [68] Группа Reignwood приобрела компанию Opus Offshore в 2011 году, которая сформировала подразделение Reignwood Ocean Engineering, которое также занимается разработкой глубоководного бурения . [69]
В настоящее время единственная постоянно действующая система OTEC расположена в префектуре Окинава, Япония. Правительственная поддержка, поддержка местного сообщества и передовые исследования, проведенные Университетом Сага, сыграли ключевую роль в успехе этого проекта подрядчиками, IHI Plant Construction Co. Ltd, Yokogawa Electric Corporation и Xenesys Inc. Ведутся работы по строительству объекта мощностью 1 МВт на острове Куме, требующего новых трубопроводов. В июле 2014 года более 50 членов сформировали Глобальную ассоциацию по ресурсам и энергетике океана (GOSEA) — международную организацию, созданную для содействия развитию модели Кумедзима и работы над прокладкой более крупных глубоководных трубопроводов для морской воды и объекта OTEC мощностью 1 МВт. [70] Компании, участвующие в текущих проектах OTEC, вместе с другими заинтересованными сторонами также разработали планы создания морских систем OTEC. [71] - Более подробную информацию см. выше в разделе «Действующие в настоящее время заводы OTEC».
5 марта 2014 г. Корпорация Ocean Thermal Energy Corporation (OTEC) [72] и Законодательное собрание Виргинских островов Соединенных Штатов (USVI) 30-го созыва подписали Меморандум о взаимопонимании для продолжения исследования по оценке осуществимости и потенциальных выгод для USVI. установки на берегу электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии по преобразованию тепловой энергии океана (OTEC), и установок по кондиционированию морской воды (SWAC). [73] Выгоды, которые будут оценены в исследовании USVI, включают как базовую нагрузку (24 часа в сутки, 7 дней в неделю) экологически чистую электроэнергию, вырабатываемую OTEC, так и различные сопутствующие продукты, связанные с OTEC и SWAC, включая большое количество пресной питьевой воды, энергосберегающий воздух. проекты по кондиционированию, устойчивой аквакультуре и марикультуре, а также проекты по улучшению сельского хозяйства на островах Сент-Томас и Санта-Крус. [74]
18 июля 2016 года заявка OTE на получение статуса квалификационного учреждения была одобрена Комиссией по коммунальным услугам Виргинских островов. [32] OTE также получила разрешение начать переговоры по контрактам, связанным с этим проектом. [33]
Южнокорейский научно-исследовательский институт кораблестроения и океанотехники (KRISO) получил принципиальное одобрение от Bureau Veritas на проект морского OTEC мощностью 1 МВт. Сроки реализации проекта, который будет расположен в 6 км от берега Республики Кирибати, не указаны. [75]
8 июля 2014 года компании Akuo Energy и DCNS получили финансирование NER300 [76] для своего проекта NEMO (Новая энергетика для Мартиники и за рубежом), который, как ожидается, будет представлять собой морскую установку мощностью 10,7 МВт чистой, завершенную в 2020 году. [ 77] Награда была предоставлена Помощь в развитии составила 72 миллиона евро. [78]
16 февраля 2018 года компания Global OTEC Resources объявила о планах [79] построить на Мальдивах электростанцию мощностью 150 кВт, спроектированную специально для отелей и курортов. [80] «Все эти курорты получают энергию от дизельных генераторов. Более того, некоторые отдельные курорты потребляют 7000 литров дизельного топлива в день для удовлетворения потребностей, что соответствует более чем 6000 тоннам CO 2 в год», - сказал директор Дэн Греч. [81] ЕС выделил грант, а ресурсы Global OTEC запустили краудфандинговую кампанию для остальных. [79]
OTEC используется не только для производства электроэнергии.
Опресненная вода может производиться на установках открытого или гибридного цикла с использованием поверхностных конденсаторов для превращения испаренной морской воды в питьевую воду. Системный анализ показывает, что установка мощностью 2 мегаватта может производить около 4300 кубических метров (150 000 куб футов) опресненной воды каждый день. [82] Другая система, запатентованная Ричардом Бэйли, создает конденсатную воду, регулируя поток глубоководной океанской воды через поверхностные конденсаторы, что коррелирует с колебаниями температуры точки росы. [83] Эта конденсационная система не использует дополнительную энергию и не имеет движущихся частей.
22 марта 2015 года Университет Сага открыл на острове Кумедзима демонстрационную установку мгновенного опреснения воды. [84] Этот спутник Института энергетики океана использует глубоководную морскую воду после OTEC из демонстрационного комплекса OTEC на Окинаве и необработанную поверхностную морскую воду для производства опресненной воды. Воздух откачивается из закрытой системы с помощью вакуумного насоса. Когда сырая морская вода закачивается в испарительную камеру, она закипает, позволяя подниматься чистому пару и удалять соль и оставшуюся морскую воду. Пар возвращается в жидкость в теплообменнике с холодной глубоководной морской водой после OTEC. [85] 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. KOYO USA была основана в 2002 году, чтобы извлечь выгоду из этой новой экономической возможности. KOYO разливает в бутылки воду, производимую заводом NELHA на Гавайях. Имея возможность производить один миллион бутылок воды каждый день, KOYO в настоящее время является крупнейшим экспортером на Гавайях с объемом продаж в 140 миллионов долларов.[81]
Холодная морская вода температурой 41 °F (5 °C), доступная благодаря системе OTEC, создает возможность обеспечить большое количество охлаждения на предприятиях и в домах рядом с заводом. Воду можно использовать в теплообменниках с охлажденной водой для обеспечения кондиционирования воздуха в зданиях. Подсчитано, что труба диаметром 1 фут (0,30 м) может подавать 4700 галлонов воды в минуту. Вода температурой 43 °F (6 °C) могла бы 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, он позволит ежегодно экономить 200 000–400 000 долларов на счетах за электроэнергию. [86]
InterContinental Resort and Thalasso-Spa на острове Бора-Бора использует систему SWAC для кондиционирования своих зданий . [87] Система пропускает морскую воду через теплообменник, где она охлаждает пресную воду в системе с замкнутым контуром. Эта пресная вода затем перекачивается в здания и непосредственно охлаждает воздух.
В 2010 году Copenhagen Energy открыла установку централизованного холодоснабжения в Копенгагене, Дания. Завод поставляет холодную морскую воду в коммерческие и промышленные здания и снизил потребление электроэнергии на 80 процентов. [88] Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) разработала систему SDC грузоподъемностью 9800 тонн 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 в субтропиках растения, развившиеся в умеренном климате . Доктор Джон П. Крэйвен, доктор Джек Дэвидсон и Ричард Бейли запатентовали этот процесс и продемонстрировали его в исследовательском центре Лаборатории естественной энергии Гавайского управления (NELHA). [89] Исследовательский центр продемонстрировал, что с помощью этой системы можно выращивать более 100 различных культур. Многие из них обычно не могли выжить на Гавайях или в Кеахол-Пойнт. [ нужна цитата ]
Япония также занимается исследованием использования глубоководных вод в сельском хозяйстве с 2000 года в Научно-исследовательском институте глубоководных вод Окинавы на острове Куме. На острове Куме для охлаждения почвы используется обычная вода, охлажденная глубоководной водой в теплообменнике, проложенном по трубам в земле. Их методы стали важным ресурсом для островного сообщества, поскольку теперь они производят шпинат, зимний овощ, в коммерческих целях круглый год. В 2014 году в городе Кумедзима рядом с демонстрационным комплексом OTEC было завершено расширение объекта глубоководного сельского хозяйства. Новый объект предназначен для более масштабного исследования экономической целесообразности сельского хозяйства с охлажденной почвой. [90]
Аквакультура является самым известным побочным продуктом, поскольку она снижает финансовые и энергетические затраты на перекачку больших объемов воды из глубин океана. Глубоководные океанские воды содержат высокие концентрации необходимых питательных веществ, которые истощаются в поверхностных водах в результате биологического потребления. Этот искусственный апвеллинг имитирует естественные апвеллинги, которые отвечают за удобрение и поддержку крупнейших в мире морских экосистем и самой большой плотности жизни на планете.
Холодноводные морские животные, такие как лосось и омары , прекрасно себя чувствуют в этой богатой питательными веществами глубоководной морской воде. Также можно выращивать микроводоросли , такие как спирулина , пищевая добавка для здоровья. Глубоководные воды океана можно комбинировать с поверхностными водами для получения воды оптимальной температуры.
Неместные виды, такие как лосось, омары, морское ушко , форель , устрицы и моллюски , можно выращивать в бассейнах, снабжаемых водой, подаваемой OTEC. Это расширяет разнообразие свежих морепродуктов, доступных на близлежащих рынках. Такое недорогое охлаждение можно использовать для сохранения качества выловленной рыбы, которая быстро портится в теплых тропических регионах. В Коне, Гавайи, компании аквакультуры, работающие с NELHA, зарабатывают около 40 миллионов долларов в год, что составляет значительную часть ВВП Гавайев. [91]
Водород можно производить электролизом с использованием электричества OTEC. Генерируемый пар с добавлением соединений электролита для повышения эффективности является относительно чистой средой для производства водорода. OTEC можно масштабировать для производства большого количества водорода. Основной проблемой является стоимость по сравнению с другими источниками энергии и топлива. [92]
Океан содержит 57 микроэлементов в солях и других формах, а также растворенных в растворах. В прошлом большинство экономических анализов пришли к выводу, что добыча микроэлементов в океане будет нерентабельной, отчасти из-за энергии, необходимой для перекачки воды. Горнодобывающая промышленность обычно нацелена на минералы, которые встречаются в высоких концентрациях и могут быть легко извлечены, например магний . Поскольку станции OTEC поставляют воду, единственными затратами являются ее добыча. [93] Японцы исследовали возможность добычи урана и обнаружили, что развитие других технологий (особенно материаловедения) улучшает перспективы. [94]
Термический градиент океана можно использовать для увеличения количества осадков и смягчения высоких летних температур окружающей среды в тропиках, что принесет огромную пользу человечеству, а также флоре и фауне . [ нужна цитата ] Когда температура поверхности моря на определенной территории относительно высока, образуется область с более низким атмосферным давлением по сравнению с атмосферным давлением, преобладающим на близлежащем массиве суши, вызывая ветры с суши в сторону океана. Ветры со стороны океана сухие и теплые, что не способствует выпадению большого количества осадков на суше по сравнению с влажными ветрами со стороны суши. Для достаточного количества осадков и комфортной летней температуры окружающей среды (ниже 35 ° C) на суше предпочтительнее дуть влажные ветры с океана в сторону суши. Создание зон высокого давления путем выборочного искусственного апвеллинга на морской территории также может быть использовано для отклонения/направления обычных муссонных глобальных ветров в сторону суши. Искусственный подъем богатых питательными веществами глубоководных вод океана на поверхность также способствует развитию рыболовства в районах с тропическим и умеренным климатом. [95] Это также приведет к увеличению поглощения углерода океанами из-за ускорения роста водорослей и увеличения массы ледников в результате выпадения дополнительного снега, что смягчит повышение уровня моря или процесс глобального потепления . [ нужна цитата ] Тропические циклоны также не проходят через зоны высокого давления, поскольку они усиливаются за счет получения энергии из теплых поверхностных вод моря.
Холодная глубоководная морская вода (<10 °C) перекачивается на поверхность моря для подавления температуры поверхности моря (>26 °C) искусственными средствами с использованием электроэнергии, вырабатываемой крупномасштабными плавучими ветряными установками на глубоком море. Более низкая температура поверхности морской воды повысит местное давление окружающей среды, в результате чего возникнут атмосферные ветры, направленные к суше. Для подъема холодной морской воды на глубоководном морском дне на глубине от 500 до 1000 м размещается стационарный гребной винт с гидравлическим приводом (диаметром ≈50 м) с гибкой тяговой трубой, доходящей до поверхности моря. Отводная труба прикреплена к морскому дну своей нижней стороной, а верхняя сторона - к плавучим понтонам на поверхности моря. Гибкая вытяжная труба не разрушится, поскольку ее внутреннее давление больше внешнего давления, когда более холодная вода выкачивается на поверхность моря. Ближний Восток, Северо-Восточная Африка, Индийский субконтинент и Австралия могут получить облегчение от жаркой и сухой погоды в летний сезон, также склонной к нерегулярным дождям, путем перекачивания глубоководной морской воды на поверхность моря из Персидского залива, Красного моря, Индийского океана и Тихого океана. Океан соответственно. [ нужна цитата ]
Тщательная обработка OTEC показывает, что разница температур в 20 °C обеспечит столько же энергии, сколько гидроэлектростанция с напором 34 м при том же объеме потока воды. [ нужна цитата ] Низкая разница температур означает, что объемы воды должны быть очень большими, чтобы извлечь полезное количество тепла. Ожидается, что электростанция мощностью 100 МВт будет перекачивать порядка 12 миллионов галлонов (44 400 тонн) в минуту. [96] Для сравнения: каждую минуту насосы должны перекачивать массу воды, превышающую вес линкора «Бисмарк» , который весил 41 700 тонн. Это приводит к существенному паразитному оттоку производства энергии в системах OTEC: 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 традиционных теплоэлектростанциях [97] , что делает их одними из наиболее важных компонентов из-за их влияния на общую эффективность. Для электростанции OTEC мощностью 100 МВт потребуется 200 теплообменников, каждый из которых больше 20-футового транспортного контейнера, что делает их самым дорогим компонентом. [98]
Суммарная инсоляция, получаемая океанами (охватывающими 70% земной поверхности, с индексом чистоты 0,5 и средним сохранением энергии 15%), составляет: 5,45×10 18 МДж/год × 0,7 × 0,5 × 0,15 = 2,87×10 17 МДж . /год
Мы можем использовать закон Бера-Ламберта-Бугера для количественной оценки поглощения солнечной энергии водой:
где y — глубина воды, I — интенсивность, а μ — коэффициент поглощения. Решая приведенное выше дифференциальное уравнение ,
Коэффициент поглощения ц может находиться в диапазоне от 0,05 м -1 для очень чистой пресной воды до 0,5 м -1 для очень соленой воды.
Поскольку интенсивность падает экспоненциально с глубиной y , поглощение тепла концентрируется в верхних слоях. Обычно в тропиках значения температуры поверхности превышают 25 ° C (77 ° F), а на высоте 1 километра (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 температурных градиентов передача тепла за счет проводимости слишком мала, чтобы выровнять температуры. Таким образом, океан является одновременно практически бесконечным источником тепла и практически бесконечным поглотителем тепла. [ нужны разъяснения ]
Эта разница температур варьируется в зависимости от широты и сезона, с максимумом в тропических , субтропических и экваториальных водах. Следовательно, тропики, как правило, являются лучшими местами OTEC.
В этой схеме теплая поверхностная вода с температурой около 27 ° C (81 ° F) поступает в испаритель под давлением немного ниже давления насыщения, вызывая ее испарение.
Где H f - энтальпия жидкой воды при температуре на входе, T 1 .
Эта временно перегретая вода подвергается объемному кипению, в отличие от кипячения в бассейне в обычных котлах, где поверхность нагрева находится в контакте. При этом вода частично превращается в пар с преобладанием двухфазного равновесия. Предположим, что давление внутри испарителя поддерживается на уровне давления насыщения T 2 .
Здесь x 2 — массовая доля воды, которая испаряется. Массовый расход теплой воды на единицу массового расхода турбины составляет 1/ x 2 .
Низкое давление в испарителе поддерживается вакуумным насосом , который также удаляет из испарителя растворенные неконденсирующиеся газы. Испаритель теперь содержит смесь воды и пара очень низкого качества пара (содержание пара). Пар отделяется от воды в виде насыщенного пара. Оставшаяся вода насыщается и сбрасывается в океан в открытом цикле. Пар представляет собой рабочую жидкость низкого давления и большого 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 из турбины T 5 . x 5, s — массовая доля пара в состоянии 5.
Энтальпия при Т 5 равна:
Эта энтальпия ниже. Работа адиабатической обратимой турбины = H 3 - H 5, с .
Фактическая работа турбины W T = ( H 3 - H 5, с ) x политропный КПД
Температура и давление конденсатора ниже. Поскольку выхлопные газы турбины должны быть сброшены обратно в океан, для смешивания выхлопных газов с холодной водой используется конденсатор прямого контакта, в результате чего получается вода, близкая к насыщенной. Сейчас эта вода сбрасывается обратно в океан.
ЧАС 6 знак равно ЧАС ж , в Т 5 . Т 7 — температура выхлопных газов, смешанных с холодной морской водой, так как содержание паров теперь незначительно,
Разница температур между ступенями включает разницу между теплой поверхностной водой и рабочим паром, разницу между отходящим паром и охлаждающей водой, а также между охлаждающей водой, поступающей в конденсатор, 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. Хилбертом Андерсоном из Sea Solar Power, Inc., в этом цикле Q H представляет собой тепло, передаваемое в испарителе от теплой морской воды к рабочей жидкости. Рабочая жидкость выходит из испарителя в виде газа вблизи точки росы .
Затем газ под высоким давлением и высокой температурой расширяется в турбине, обеспечивая работу турбины W T . Рабочая жидкость слегка перегревается на выходе из турбины, и турбина обычно имеет КПД 90%, основанный на обратимом адиабатическом расширении.
С выхода турбины рабочее тело поступает в конденсатор, где отдает тепло -Q C холодной морской воде. Затем конденсат сжимается до самого высокого давления в цикле, что требует работы конденсатного насоса W C . Таким образом, замкнутый цикл Андерсона представляет собой цикл 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 типа используемых теплообменников, необходимо учитывать в окончательных расчетах конструкции, но здесь оно игнорируется для упрощения анализа. Таким образом, рассчитанная здесь работа паразитного конденсатного насоса W C будет ниже, чем если бы учитывалось падение давления в теплообменнике. Основными дополнительными потребностями в паразитной энергии на станции OTEC являются работа насоса холодной воды W CT и работа насоса теплой воды W HT . Обозначая все другие паразитные потребности в энергии через WA , сеть от завода OTEC, W NP равна
Термодинамический цикл, которому подвергается рабочее тело, можно анализировать без детального рассмотрения потребностей в паразитной энергии. Из первого закона термодинамики баланс энергии рабочего тела как системы равен
где W N = W T + W C – сетка термодинамического цикла. Для идеализированного случая, когда перепад давления рабочей жидкости в теплообменниках отсутствует,
и
так что чистая работа термодинамического цикла становится
Недогретая жидкость поступает в испаритель. За счет теплообмена с теплой морской водой происходит испарение и обычно перегретый пар выходит из испарителя. Этот пар приводит в движение турбину, и двухфазная смесь поступает в конденсатор. Обычно недогретая жидкость покидает конденсатор и, наконец, перекачивается в испаритель, завершая цикл.
Углекислый газ, растворенный в глубоких слоях холода и высокого давления, поднимается на поверхность и выделяется по мере нагревания воды. [ нужна цитата ]
Смешивание глубокой океанской воды с мелководной приносит питательные вещества и делает их доступными для мелководной жизни. Это может быть преимуществом для аквакультуры коммерчески важных видов, но также может разбалансировать экологическую систему вокруг электростанции. [ нужна цитата ]
Установки OTEC используют очень большие потоки теплой поверхностной морской воды и холодной глубоководной морской воды для производства постоянной возобновляемой энергии. Глубоководная морская вода испытывает дефицит кислорода и обычно в 20–40 раз более богата питательными веществами (нитратами и нитритами), чем мелководная морская вода. Когда эти шлейфы смешиваются, они становятся немного плотнее окружающей морской воды. [99] Хотя крупномасштабные физические экологические испытания OTEC не проводились, были разработаны компьютерные модели для моделирования воздействия установок OTEC.
В 2010 году была разработана компьютерная модель для моделирования физических океанографических эффектов одной или нескольких установок OTEC мощностью 100 мегаватт. Модель предполагает, что установки OTEC могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы они могли осуществлять непрерывную работу, при этом результирующие изменения температуры и питательных веществ будут находиться в пределах естественных уровней. Исследования, проведенные на сегодняшний день, показывают, что при сбросе потоков OTEC вниз на глубину ниже 70 метров разбавление является достаточным, а обогащение питательными веществами достаточно небольшим, чтобы 100-мегаваттные установки OTEC могли эксплуатироваться устойчивым образом и на постоянной основе. [100]
Питательные вещества из разряда OTEC потенциально могут вызвать повышенную биологическую активность, если они накапливаются в больших количествах в фотозоне . [100] В 2011 году к гидродинамической компьютерной модели был добавлен биологический компонент для моделирования биологической реакции на выбросы 100-мегаваттных электростанций OTEC. Во всех смоделированных случаях (разгрузка на глубине 70 метров и более) в верхних 40 метрах поверхности океана не происходит никаких неестественных изменений. [99] Реакция пикопланктона в слое глубиной 110–70 метров увеличивается примерно на 10–25%, что находится в пределах естественной изменчивости. Реакция нанопланктона незначительна. Повышенная продуктивность диатомей (микропланктона) невелика. Небольшое увеличение фитопланктона на базовом OTEC-растении предполагает, что биохимические эффекты более высокого порядка будут очень небольшими. [99]
Предыдущее окончательное заявление о воздействии на окружающую среду (EIS) для NOAA США от 1981 года доступно [101] , но его необходимо привести в соответствие с текущими океанографическими и инженерными стандартами. Были проведены исследования с целью предложить лучшие методы мониторинга фонового состояния окружающей среды с упором на набор из десяти химико-океанографических параметров, имеющих отношение к OTEC. [102] Совсем недавно, в 2010 и 2012 годах, NOAA провело семинар OTEC с целью оценить физические, химические и биологические воздействия и риски, а также выявить информационные пробелы или потребности. [103] [104]
База данных Tethys обеспечивает доступ к научной литературе и общей информации о потенциальных воздействиях OTEC на окружающую среду. [105]
Производительность теплообменников с прямым контактом, работающих в типичных граничных условиях OTEC, важна для цикла Клода. Во многих ранних конструкциях цикла Клода использовался поверхностный конденсатор, поскольку их характеристики были хорошо изучены. Однако конденсаторы прямого контакта имеют существенные недостатки. Когда холодная вода поднимается во впускной трубе, давление снижается до такой степени, что начинает выделяться газ. Если из раствора выделяется значительное количество газа, может быть оправдано размещение газовой ловушки перед теплообменниками прямого контакта. Эксперименты, моделирующие условия во впускной трубе теплой воды, показали, что около 30% растворенного газа выделяется в верхних 8,5 метрах (28 футов) трубы. Компромисс между предварительной деаэрацией [106] морской воды и вытеснением неконденсирующихся газов из конденсатора зависит от динамики выделения газа, эффективности деаэратора, потерь напора, эффективности вентиляционного компрессора и паразитной мощности. Экспериментальные результаты показывают, что конденсаторы с вертикальным изливом работают примерно на 30% лучше, чем конденсаторы с падающей струей.
Поскольку сырая морская вода должна проходить через теплообменник, необходимо позаботиться о поддержании хорошей теплопроводности . Слои биообрастания толщиной от 25 до 50 микрометров (от 0,00098 до 0,00197 дюйма) могут ухудшить производительность теплообменника на целых 50%. [42] Исследование 1977 года, в ходе которого макеты теплообменников подвергались воздействию морской воды в течение десяти недель, пришло к выводу, что, хотя уровень микробного загрязнения был низким, теплопроводность системы значительно ухудшилась. [107] Очевидное несоответствие между уровнем загрязнения и ухудшением теплопередачи является результатом тонкого слоя воды, захваченного микробным ростом на поверхности теплообменника. [107]
Другое исследование пришло к выводу, что загрязнение со временем ухудшает производительность, и установило, что, хотя регулярная чистка щеткой способна удалить большую часть микробного слоя, со временем образуется более жесткий слой, который невозможно удалить простой чисткой. [42] В ходе исследования через систему пропускали шарики из губчатой резины. Он пришел к выводу, что, хотя обработка шариками снижает скорость загрязнения, ее недостаточно для полной остановки роста, и иногда требуется чистка щеткой для восстановления способности. На более позднем этапе эксперимента микробы восстанавливались быстрее (т. е. чистка зубов стала необходима чаще), повторяя результаты предыдущего исследования. [108] Повышенная скорость роста после последующих очисток, по-видимому, является результатом давления отбора на микробную колонию. [108]
Были изучены непрерывное использование в течение 1 часа в день и периодические периоды свободного загрязнения, а затем периоды хлорирования (снова 1 час в день). Хлорирование замедляло, но не останавливало рост микробов; однако уровни хлорирования 0,1 мг на литр в течение 1 часа в день могут оказаться эффективными для долгосрочной эксплуатации установки. [42] Исследование пришло к выводу, что, хотя микробное загрязнение было проблемой для теплообменника с теплой поверхностной водой, теплообменник с холодной водой практически не подвергался биообрастанию и имел лишь минимальное неорганическое загрязнение. [42]
Помимо температуры воды, микробное загрязнение также зависит от уровня питательных веществ: рост происходит быстрее в воде, богатой питательными веществами. [109] Скорость загрязнения также зависит от материала, использованного для изготовления теплообменника. Алюминиевые трубы замедляют рост микробов, хотя оксидный слой, образующийся внутри труб, усложняет очистку и приводит к большим потерям эффективности. [108] Напротив, титановые трубки позволяют быстрее происходить биообрастанию, но очистка более эффективна, чем алюминиевые. [108]
Испаритель, турбина и конденсатор работают в частичном вакууме в диапазоне от 3% до 1% атмосферного давления. Система должна быть тщательно герметизирована, чтобы предотвратить утечку атмосферного воздуха, которая может ухудшить работу или привести к прекращению ее работы. В ОТЭП замкнутого цикла удельный объем пара низкого давления очень велик по сравнению с объемом рабочего тела под давлением. Компоненты должны иметь большие площади прохода, чтобы скорости пара не достигали слишком высоких значений.
Подход к снижению паразитных потерь мощности компрессора выхлопных газов заключается в следующем. После того, как большая часть пара конденсируется в желобных конденсаторах, неконденсирующаяся парогазовая смесь пропускается через противоточную область, что увеличивает газопаровую реакцию в пять раз. В результате потребность в мощности откачки выхлопных газов снижается на 80%.
Зимой в прибрежных районах Арктики разница температур между морской водой и окружающим воздухом может достигать 40 °C (72 °F). Системы замкнутого цикла могут использовать разницу температур воздуха и воды. Отказ от труб для забора морской воды может сделать систему, основанную на этой концепции, менее дорогой, чем OTEC. Эта технология принадлежит Х. Баржо, который предложил бутан в качестве криогена из-за его температуры кипения -0,5 ° C (31,1 ° F) и его нерастворимости в воде. [110] Принимая реальный уровень эффективности в 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 прохождении этого кубического метра воды через гидроэлектростанцию высотой 4000 футов (1200 м). [111]
Полярные электростанции Баржот могут быть расположены на островах в полярном регионе или спроектированы в виде плавучих барж или платформ, прикрепленных к ледяной шапке . Например, метеостанция Миггбука на восточном побережье Гренландии, которая находится всего в 2100 км от Глазго, определяет среднемесячные температуры ниже -15 °C (5 °F) в течение 6 зимних месяцев в году. [112] Эту технологию можно также использовать для создания искусственных ледяных шапок или ледников в долинах Антарктиды , расположенных вблизи морского побережья. Таким образом, можно смягчить повышение уровня моря из-за выбросов углекислого газа, а также генерируемую электроэнергию, в том числе на ветряных электростанциях, использовать для добычи криптовалюты , а выделяющееся в процессе тепло использовать для отопления помещений .
В 1979 году SERI предложила использовать эффект Зеебека для производства электроэнергии с общим КПД преобразования 2%. [113]
В 2014 году Липин Лю, доцент Университета Рутгерса, предложил систему OTEC, которая использует термоэлектрический эффект твердого тела , а не традиционно используемые жидкостные циклы. [114] [115]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )