Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Преобразование тепловой энергии океана использует разницу температур между тёплой поверхностью и более холодными глубинными водами. Эта форма возобновляемой энергии, основанная на разнице температур, может обеспечить энергией многие регионы. И хотя технология существует уже более 100 лет, она до сих пор не получила широкого распространения.
Одна из причин — недостаток финансирования. Солнечная, ядерная, гидро-, ветровая и волновая энергия — это методы получения экологически чистой энергии, с которыми большинство из нас уже знакомы. Но есть ещё один способ, впервые предложенный в 1880-х годах.
Преобразование тепловой энергии океана (ПТЭО, или OTEC — Ocean Thermal Energy Conversion) использует разницу температур между тёплой поверхностью океанов, нагреваемой солнечным излучением, и более холодными глубинными водами.
Энергия из разницы температур морей и океанов
Концепция была впервые предложена в начале 1880-х годов французским инженером Жаком-Арсеном д’Арсонвалем.
Жюль Верн также использовал похожую идею в романе «Двадцать тысяч лье под водой» (1870), где капитан Немо размышляет о том, как получить электричество, используя разницу температур в океане.
Проект д’Арсонваля представлял собой замкнутую систему, использующую такое химическое соединение, как жидкий аммиак (имеющий очень низкую точку кипения) в качестве рабочей жидкости. Тёплая вода с поверхности океана поступала в теплообменник, где тепло заставляло аммиак кипеть и расширятся, превращаясь в пар.
По мере расширения он вращал лопасти турбины, соединённой с генератором, производя электричество. Затем пар поступал в другой теплообменник, где холодная вода из глубин океана, охлаждала и заставляла его снова конденсироваться. Разница давлений между двумя камерами проталкивала пар по системе, вращая турбину и генерируя электричество.
Часть этой электроэнергии используется для работы насосов, подающих воду с глубины, а избыточная электроэнергия направляется в сеть для общего пользования. Ученик д’Арсонваля, Жорж Клод, предприниматель, разбогатевший на продаже неоновых ламп, построил первую в мире электростанцию ПТЭО в Матансасе, Куба, ещё в 1930 году.
Система Клода работала, генерируя 22 киловатта (кВт) электроэнергии, и он начал сбор средств для строительства более крупной электростанции в Сантьяго. Однако собрать средства так и не удалось, а первоначальная станция позже была разрушена штормом.
Исследования ПТЭО продолжались и после этого, но мир вскоре перешёл на ядерное и ископаемое топливо, которые, как казалось, предлагали бесконечную дешёвую энергию с относительно небольшими недостатками.
Но, уже к 1970-м годам, недостатки как нефти, так и ядерной энергии стали слишком очевидны. Вдобавок к этому энергетический кризис изменил ценообразование, и нефть больше не была дешёвой. В ответ некоторые страны решили вернуться к ПТЭО.
Медленное развитие ПТЭО
В 1979 году президент США Джимми Картер принял Закон о преобразовании тепловой энергии океана, направленный на развитие различных источников энергии.
Исследователи разработали две электростанции ПТЭО у побережья Гавайев и успешно генерировали чистую энергию. Японские компании также испытали собственные системы ПТЭО в 1981 году у побережья Науру в Тихом океане. Станция генерировала 35 кВт энергии, прежде чем была разрушена штормом.
В 1990-х годах Управление Лаборатории природной энергии Гавайев эксплуатировало демонстрационную станцию ПТЭО мощностью 250 кВт в течение шести лет. Не так давно ВМС США поддержали компанию Makai Ocean Engineering в строительстве демонстрационной станции ПТЭО мощностью 105 кВт на Гавайях. Эта установка была подключена к сети в 2015 году и обеспечивала энергией около 120 домов.
Местные рыбные хозяйства также использовали трубу с холодной водой для выращивания омаров в штате Мэн, которые иначе не росли бы в тёплых водах, окружающих острова. Однако, когда цены на нефть стабилизировались в конце 1990-х годов, интерес к ПТЭО снова угас.
Очевидно, что технология работает, так почему же побережья не заполнены станциями ПТЭО, производящими дешёвую энергию?
Одна из причин заключается в том, что для работы таких станций требуется разница температур между поверхностной и глубинной водой не менее 20 градусов Цельсия. Такие условия встречаются только вблизи экватора, далеко от мест, где энергия нужна больше всего.
Другая проблема заключается в том, что станции ПТЭО требуют относительно высоких начальных капитальных затрат. Это делает технологию менее привлекательной для инвесторов, особенно когда возобновляемые источники энергии, как солнечная и ветровая, становятся всё дешевле. Морские станции ПТЭО планировались на Бора-Бора, Мартинике и в Пуэрто-Рико, но в целом ПТЭО уступила место солнечной и ветровой энергии.
Существует также относительно низкая эффективность процесса. Только около 2 или 3% энергии морской воды преобразуется в электричество с помощью ПТЭО. Это мало, но если насосы работают от солнечной энергии, экономика выглядит привлекательнее – если вы можете прокачивать достаточно большой объём воды.
В одном техническом документе предполагается, что для экономической эффективности требуется прокачивать объём воды, эквивалент четырёх Ниагарских водопадов, постоянно протекающей через теплообменники станции. Кроме того, стоимость оборудования и трубопроводов для этого непомерно высока – отсюда и высокие затраты.
Экономика вдвойне затратнее для береговых объектов. Прокладка длинной огромной трубы, чтобы доставлять холодную воду, обойдётся очень дорога. Одной из альтернатив является строительство станции на платформе в море и прокладка трубы вниз. Возможно, ПТЭО можно было бы разместить рядом с морскими ветряными турбинами и использовать общий кабель для подачи энергии на берег. Однако строительство в море также увеличивает затраты.
Но, в сентябре 2023 года Китай завершил морские испытания плавучей станции ПТЭО, разработанной в рамках проекта под руководством Гуанчжоуской морской геологической службы. Испытание, проведённое на борту морского исследовательского судна «Haiyang Dizhi-2» (Океанская геология №2), генерировало энергию в течение четырёх часов с максимальной выходной мощностью 16,4 кВт.
Испытание доказало осуществимость того, что исследователи называют недорогой технологией ПТЭО. Китай планирует построить электростанцию ПТЭО в Южно-Китайском море в рамках совместного предприятия между Lockheed Martin и гонконгским строительным консорциумом Reignwood. Электростанция будет обеспечивать энергией курортный комплекс, который будет развивать Reignwood.
ПТЭО – благо для тропических островных государств
Лучшее применение ПТЭО, вероятно, заключается в обеспечении энергией тропических островных государств.
Хотя у них достаточно солнца, многие из островов, особенно маленькие, низко расположенные атоллы, как Кирибати, настолько ограничены в земле, что не могут выделить площадь даже для небольших солнечных ферм. И среди этих малых островных развивающихся государств (МОРАГ), существует большой интерес к ПТЭО.
Связано это и с тем, что, хотя океанская вода и тропическая биомасса, окружающие МОРАГ, делают их чистыми поглотителями углерода, они также больше всех подвержены влиянию изменений температуры и уровня океана. Для этих государств достижение нулевого уровня выбросов является вопросом самосохранения — многие из них будут полностью покрыты водой из-за повышения уровня моря, если изменение климата не замедлится.
В 2021 году Организация МОРАГ по устойчивой энергетике и климатической устойчивости, подписала соглашение с британской компанией Global OTEC Resources Limited о сотрудничестве в разработке и внедрении технологии ПТЭО.
Проект начнётся со станции мощностью 1,5 мегаватт (МВт), расположенной на барже у Сан-Томе и Принсипи. Небольшая станция будет служить моделью и доказательством концепции, а затем может быть масштабирована до более крупной станции или дополнительных малых барж.
Другие острова рассматривают возможность строительства береговых станций ПТЭО. Это для них более привлекательно, и хотя такие проекты связаны с высокими начальными затратами, они также смогут поддерживать вторичные отрасли, использующие холодную воду, как разведение омаров.
Другие типы систем ПТЭО, называемые открытыми ПТЭО (используют морскую воду в качестве рабочей жидкости, подвергая её воздействию вакуума для снижения точки кипения), предназначены для опреснения морской воды при её испарении, производят пресную воду – дефицитный и дорогой продукт на многих островах.
Но существуют и потенциальные опасности, если эта технология действительно получит широкое распространение. В исследовании 2012 года учёные из Университета Гавайев обнаружили. Что если моря окажутся заполнены такими станциями, они будут перемешивать достаточно морской воды, чтобы устранить температурный градиент, который делает процесс работоспособным.
В недавней статье исследователей Университета Гавайев, опубликованной в Journal of Marine Science and Engineering, с помощью моделирования был сделан вывод, что негативные эффекты можно минимизировать, располагая станции на расстоянии не менее 100 километров (км) от берега, и даже общее производство энергии ПТЭО около 2 ТВт не будет иметь крупномасштабных экологических последствий.
Для сравнения, общее мировое потребление электроэнергии в 2022 году составило около 24 400 тераватт (ТВт-часов). Кроме того, количество станций, необходимых для достижения пиковой мощности, оказалось достаточным, чтобы повлиять на некоторые океанские течения, что может иметь последствия для климата.
Хотя основным ограничением является финансирование. Компании SIDS DOCK и Global OTEC в настоящее время ищут финансирование для начала своих проектов. Инвесторы неохотно вкладывают средства в непроверенные проекты, тем более что солнечная и ветровая энергия кажутся более надёжными.
Между тем технология готова к использованию; мир просто ждёт подходящих условий.