Термодинамический геоинжиниринг: использовать энергию океанов

Содержание

Источник: http://theenergycollective.com/jim-baird/2216476/thermodynamic-geoengineereing-third-way, автор: Jim Baird, опубликовано 16 апреля 2015 г., перевод: В.Костромин

Геоинжиниринг — это масштабное спланированное вмешательство в климатическую систему Земли с целью уменьшения глобального потепления. Чаще всего это понятие связывают с уменьшением выбросов диоксида углерода или получением энергии от солнечного излучения. Иногда рассматривается и третий подход, основанный на охлаждении поверхностных вод океана и окружающей атмосферы холодной водой, извлекаемой из глубин океанов.

Термодинамический геоинжиниринг — это четвертый подход, недавно предложенный участниками сообщества MIT Climate CoLab.

Температурная стратификация океанов, вызванная глобальным потеплением, предоставляет возможность преобразовать избыточное тепло в полезную энергию.

Распределение температрур в океане

Океаны содержат примерно 93 процента энергии изменения климата. Когда вода нагревается, она становится менее плотной и поднимается ближе к поверхности. Таким образом океаны термально стратифицированы, то есть разделены на слои с разной температурой. Эта стратификация дает возможность получить энергию в соответствии со вторым началом термодинамики.

Второе начало термодинамики утверждает, что тепло переносится от более теплого тела к более холодному. Большая часть тепла аккумулирована в тропических водах. Глубины океанов содержат огромные массы холодной воды, но переток тепла к ним от тропических вод затруднен из-за повышения плотности с глубиной. В результате тропическому теплу оказывается проще перетечь к полюсам, следствием чего является таяние ледяных шапок и вечной мерзлоты, которая хранит в себе метан. Это вызывает мощные выбросы парниковых газов, что приводит к опасному потеплению.

Мощные тропические шторма — один из основных механизмов переноса тепла из тропиков к полюсам.

Хотя выбросы CO2  продолжают возрастать, думается, что увеличение поглощения тепла океаном вызвало замедление потепления атмосферы в этом веке. Силами, которые, как считается, вызывают перемешивание  теплых поверхностных вод и холодных глубинных, являются ветер и явления, связанные с таянием полярных льдов. Оба этих явления считаются временными явлениями, и если их исключить, большая часть так называемого недостающего тепла будет возвращена в атмосферу.

Тепловые трубы иногда определяются как сверхпроводники тепла, потому что они быстро переносят тепло посредством фазовых изменений рабочей жидкости. Это чрезвычайно эффективный способ переноса тепла из той области, где оно может нанести вред, к примеру с поверхности океанов. Эффективность тепловых трубок пристекает из того факта, что они не имеют движущихся частей, но тем не менее могут переносить тепло со скоростью, приближающейся к скорости звука.  Они могут переносить тепло, преодолевая силу гравитации, и если поместить турбину в поток пара, тепло может быть преобразовано в работу.

При достаточном количестве таких устройств можно обеспечить генерацию такого количества энергии, сколько в настоящее время получают из ископаемых видов топлива.

Эффективность тепловой машины равна (1 минус абсолютная температура холодного резервуара) деленная на абсолютную температуру горячего резервуара.

Преобразование тепловой энергии океана требует разности температур как минимум в 20 градусов.

Обычно температура океанской воды на глубине 1000 метров равна примерно 4oC или 277K, так что в соответствии с циклом Карно теоретически эффективность системы преобразования тепловой энергии океана будет составлять как минимум 6.75%.  Реально можно достичь примерно 5%, а это означает, что с поверхности океана будет удалено в 20 раз больше тепла, чем выработано энергии.

По некоторым оценкам океаны могут отдать примерно 14 тераватт (ТВт) энергии без какого либо ущерба для окружающей среды. Это примерно столько же, сколько в настоящее время получают из ископаемого топлива. Преобразование тепла океанов в такое количество работы требует переноса дополнительно 280 ТВт-часов в глубину посредством тепловых трубок. Поскольку в соответствии с оценками NOAA океаны за последние 16 лет аккумулировали примерно 330 ТВт-часов вследствие климатических изменений, теоретически вся эта избыточная энергия может быть извлечена или перемещена в глубины океана посредством тепловых трубок.

Это приведет к уменьшению переноса тепла к полюсам и передачи его в океанские глубины, где коэффициэнт теплового расширения морской воды вдвое меньше, чем на поверхности в тропиках. Такие системы, также снижают энергию тропических штормов и будут снижать вероятность двух самых больших угроз, связанных с изменением климата: повышением уровня океана и больших волн.

По некоторым оценкам на глубинах от 500 до 2000 метров температура воды океанов повышается на примерно на 0,002 градуса Цельсия каждый год, а выше 500 метров — уже на 0,005 градуса. В тоже время атмосферный воздух прогревается примерно в 3 раза быстрее, а полюса — еще в 3 раза быстрее. Очевидно, что глубины океанов обладают способностью принять энергию глобального потепления в силу их гигантской тепловой емкости.

Чтобы  полученную от океана энергию доставить на берег требуется преобразовать  электроэнергию в какой-то энергоноситель.  Электролиз морской воды может быть проведен таким образом, что кроме получения водорода, будет происходить поглощение  двуокиси углерода с образованием карбонатов и бикарбонатов, а это, в свою очередь, позволит нейтрализовать увеличение кислотности океанов, вызванное увеличением поглощения CO2.

Преобразование тепловой энергии океана с помощью тепловых трубок влияет и на причину и на следствия изменения климата.

Океанская электростанция на 100 МВт

Океанская электростанция на 100 МВт

Участники Копенгагенского соглашения договорились выплачивать 100 миллиардов долларов в год к 2020 году, на помощь развивающимся странам для сокращения выбросов углекислого газа

Thomas Peterson из Национальной океанической и атмосферной администрации (the National Oceanic and Atmospheric Administration) недавно сказал, однако, “Существуют факторы и помимо CO2 , влияющие на температуру поверхности и, следовательно, на глобальное потепление…  К ним относятся облачность, поглощение тепла океанами, эффект Эль Ниньо и другие.”

Если проблема изменения климата не будет решаться в соответствии с научно обоснованными принципами, деньги, номинально потраченные на решение этой проблемы, будут потрачены впустую.

Энергия — один из самых больших секторов глобальной экономики. Как предположил недавно автор блога The Carbon Brief, чтобы удовлетворить требованию ограничения планетарного потепления на уровне двух градусов, о чем договорились участники Копенгагенского соглашения, 35 % мировых запасов нефти, 52% запасов природного газа и 88% угля должны остаться в земле. Но если сократить таким образом добычу, возникнет дефицит энергии, который должен быть восполнен за счет свободной от выбросов возобновляемой энергетики, что создает огромные новые возможности для бизнеса.

Преобразование тепловой энергии океана с помощью тепловых трубок — единственный способ получения дохода при генерации энергии, который обещает 2000% дивидендов в плане климата.

Стоимость является ограничивающим фактором как для падающего рынка углеводородов, так для развивающегося сектора возобновляемой энергетики. Тепловые трубки для преобразования тепловой энергии океана потенциально имеют самый низкий уровень капитальных затрат среди возобновляемых источников.

Геоинженерия способна оплатить себя за счет произведенной энергии.

Существует потребность в моделировании влияния массивных переносов тепла в океане и механики процессов, а также необходимо оказать давление на политиков для получения необходимых средств, которые должны быть потрачены в соответствии с правильными научными принципами.

Задача сторонников этого решения — принять все возможные меры для продвижения этой концепции.

Самые большие экономики вносят самый большой вклад в изменения климата и, следовательно, мы вправе ожидать, что они внесут наибольший вклад в решение проблемы.

Поглощение тепла глубинами океанов считается причиной замедления потепления атмосферы, которое наблюдается в этом столетии. Этот природный феномен воспроизводится тепловыми трубками, которые являются частью системы, которая производит энергию в тепловой машине. Хотя ожидается, что природный феномен примет обратное направление в течение нескольких десятилетий, теплу, накопленному на глубине 1000 метров, потребуется для возвращения 250 лет, учитывая, что скорость подъема глубинных вод в Тихом океане оценивается в 1 см/день.

Поскольку при рассматриваемом подходе к производству энергии отсутствуют вредные выбросы, концентрация CO2 в атмосфере будет снижена к тому времени, когда тепло будет снова извлекаться, но к тому времени оно может быть возвращено в глубину с помощью тех же самых процессов.

Тепло, переданное в глубину, не будет вызывать тропические шторма или перемещаться к полюсам, где оно приводит к таянию ледяных шапок и вечной мерзлоты.

Коэффициент теплового расширения морской воды вдвое меньше на глубине океана 1000 м, по сравнению с водой на поверхности в тропиках, так что и повышение уровня моря будет снижено.

В диссертации Shylesh Muralidharan показана высокая эффективность преобразования тепловой энергии океана, а также ее конкурентоспособность с точки зрения капитальных затрат. В следующей таблице, заимствованной из этой диссертации, показаны коэффициенты использования и приведенные капитальные затраты для разных видов технологий.

Производительность и усредненные цены разных технологий

(Хотя это и не показано в приводимой таблице, но в текстовой части диссертации показано, что глубоководная установка мощностью 100 МВт на основе тепловых трубок может снизить стоимость получаемой энергии с 4000$/КВт до 2650 $/КВт.)

Диссертация также показывает, что удвоение размера станции приводит к сокращению отношения стоимость/КВт для станций, основанных на преобразовании тепловой энергии океана, приблизительно на 22%.

Использование CO2 в качестве рабочей жидкости позволяет создавать станции гигаватной мощности. Экстраполяция результатов диссертации показывает, что станция на основе тепловых трубок мощностью 1 ГВт будет самой дешевой станцией, использующей возобновляемую энергию.

Единственными реальными затратами при реализации этого подхода будут затраты на исследования и создание прототипа. Работающая станция будет окупать себя.

Gerard Nihous из Университета Гавайи считает, что океан способен поддерживать работу 250 тысяч 100-мегаваттных электростанций.

На первом этапе необходимо будет разработать лабораторный прототип системы, а затем создать небольшую станцию в океане для проведения испытаний, которые могут быть выполнены в течение первых 5 лет после ввода ее в действие.

Наверх