Принцип работы опытных океанических тепловых электростанций

          Наша планета страдает от избытка получаемой тепловой энергии, а неразумное человечество мучается в поиске энергоресурсов (парадокс!). Оно выкорчевывает недра, добывая углеводороды, безрассудно сжигает их, отравляя окружающую среду. А ведь эти природные богатства являются незаменимым сырьём для производства уникальных материалов. И принадлежат они будущим поколениям. Итак, грабим их, губим природу и считаем это нормальным явлением. Таков наш человеческий интеллект. 

         Перегрев планеты сказывается и на температуре Мирового океана: она медленно, но неуклонно возрастает. Мировой океан – этот гигантский тепловой аккумулятор – и он, конечно же, способен обеспечить человечество всеми видами энергии.  И попытки использовать его тепловой ресурс предпринимались в энергокризисных ситуациях.

        В 1970-е годы ряд стран приступил к проектированию и строительству опытных океанических тепловых электростанций (ОТЭС) закрытого цикла. В таких ОТЭС есть принципиальное отличие от установок открытого цикла Жоржа Клода: в них используются жидкости с низкими температурами кипения, например, пропан, фреон или аммиак. В такой системе с помощью теплых поверхностных вод, прокачиваемых насосом через теплообменник испарителя, рабочее тело превращается в пар повышенного давления с дальнейшим расширением  и проходом через турбину в холодильник, где пар конденсируется при контакте со стенками, охлаждаемыми водой, закачиваемой из глубинных слоев океана.

         Первая ОТЭС была запущена в 1979 г. в Keahole Point (Гавайи). Круглосуточно с августа по октябрь установка производила около 50 кВт, из которых только 12 кВт использовались на внешнюю нагрузку. В течение нескольких последующих лет испытывались более усовершенствованные установки.

       А первый японский опытный образец, запущенный на острове Науру в 1981 г., выдавал мощность 100 кВт, при этом остаточной мощности было всего 14,9 кВт. Его главным отличием было расположение станции на острове. Это позволило отказаться от использования судна-носителя с надежными якорными устройствами, с подводным силовым кабелем для передачи электроэнергии на берег, а главное — обеспечить полную безопасность для обслуживающего персонала.

        В 1992 г. на Гавайях был запущен экспериментальный аппарат открытого цикла мощностью около  210 кВт.

        В 1992-1998 годах в Кеахол Пойнте действовала ОТЭС также открытого типа. При проектировании станции были использованы последние достижения техники. Турбогенератор был рассчитан на мощность 210 кВт при использовании теплой поверхностной воды в 26°C и глубоководной с температурой до 6°C. Небольшой объем (10%) отработанного пара использовался для опреснения воды. Наилучшие показатели производства энергии достигали 255 кВт (общей) при 103 кВт энергии, отдаваемой во внешнюю сеть.

        Однако созданным ОТЭС присущи и отрицательные факторы, которые не позволили им стать перспективными, а именно:

— стоимость электроэнергии, производимой ОТЭС, выше традиционной;   

— для нормальной работы ОТЭС необходим ряд природных условий: разность температур между теплым поверхностным и холодным глубоководным слоями воды должна составлять около 20°C, причем экономический эффект достигается при расстоянии от поверхности до глубины с достаточно низкой температурой не более 1 км;

— конструкции океанских станций и проложенные под водой трубы могут повреждаться из-за плохих погодных условий, прибоев;

— отсутствуют достаточно эффективные и экономически приемлемые средства борьбы с коррозией и биологическим обрастанием оборудования и трубопроводов;

— если в контуре, по которому циркулирует рабочая жидкость, возникает утечка, то она может нанести вред не только морской флоре и фауне, но и озоновому слою планеты.

        Негативные экологические последствия работы тепловых станций по схеме с подъемом глубинных вод создаются при выделении ими в атмосферу растворенных газов. Эти воды содержат большое количество углекислого газа, который выделяется при их подъеме на поверхность из-за снижения давления и повышения температуры.

       Остаётся одна из главных проблем: потребность в охлаждающей воде из морской глубины не только удорожает проект, но и резко увеличивает расход электроэнергии на собственные нужды. Всё это сказывается на цене поставляемой электроэнергии потребителям.

       Известны варианты ОТЭС без использования глубинных холодных океанских вод путем их замены, например, потоком холодного воздуха. Но такое техническое решение рассчитано на арктические условия, а стабильность работы ОТЭС оказывается в сильной зависимости от погоды. Оно, конечно же, неприменимо в умеренных, а тем более – в экваториальных широтах, где сосредоточены главные ресурсы тепловой энергии океанов. Других же проектов ОТЭС без использования глубинных вод океана пока не было.

          И вот сделана первая попытка в освоении морского теплового потенциала без использования глубинных вод. Изобретён морской энергокомплекс (патент RU № 2650916 от 2018 г.), оснащенный мощными тепловыми насосами и тепломеханическими преобразовате-лями, работающими на малом перепаде температуры, а также установками для опреснения воды и её электролиза. Комплекс рассчитан на размещение на побережьях морей и других водных объектов.

        Следует подчеркнуть, что наземные (прибрежные) энергоустановки имеют целый ряд преимуществ перед удалёнными от берегов. Станции на берегу или в прибрежной зоне менее затратны, как в сооружении, а также в обслуживании. А это резко снижает стоимость производимой электроэнергии.

    Для защиты от экстремального волнения моря месторасположение станций можно защитить волноломом, например, по патенту RU № 2461681 от 2012 г., а цунами опасных регионах – цунами-гасителем по патенту RU № 2524814 от 2014 г. 

          Входящие в состав комплекса тепломеханические преобразователи (см. патенты RU №№ 2613337 от 2017 г., 2623728 от 2017 г., 2694568 от 2019 г. и 2728009 от 2020 г.), работающие на принципе теплового расширения рабочего тела, не нуждаются в парообразователе и потому обладают работоспособностью в ограниченном (менее 100°С) перепаде температур, что вполне обеспечивают теплообменники теплового насоса данного комплекса. 

         Включение в состав комплекса опреснительных и электролизных установок позволит решить проблемы водоснабжения и обеспечения экологически чистым топливом (водородом), в том числе и транспортные средства. 

     Схема морского энергокомплекса показана на рис. 1. А общий вид представлен на рис. 2. 

     Такие комплексы должны располагаться на побережьях вблизи населённых пунктов и снабжать последние теплом, пресной водой (при необходимости) и электроэнергией. Водород и морская соль поставляется ближним и дальним потребителям. 

     Блок испарителей тепловых насосов отбирает часть теплового ресурса водной среды, за счёт этого тепла происходит испарение хладагента, поступающего в компрессор, за которым резко возрастает температура паров, передающих тепловую энергию через теплообменник приводному двигателю, а остаток – также через свой теплообменник – на другие нужды. В остывшем состоянии хладагент конденсируется, но за дросселем резко сбрасывает давление, забирает тепло в контуре охлаждения приводного двигателя, а затем снова получает основной ресурс тепловой энергии морской воды с помощью испарителей. Следует отметить, что даже при спокойном море испарители нагреваются водным обтеканием благодаря естественной конвекции, а при наличии морских течений и волн этот процесс усиливается.  

Рис. 1 Схема морского комплекса

1. тепломеханический привод электрогенератора;
2. генератор;
3. испаритель;
4. теплообменники контура нагрева;
5. компрессор;
6. дроссель;
7. циркуляционный насос.

                Рис. 2. Общий вид морского энергокомплекса 

1.  электростанция;
2.  резервуар для опреснённой воды;
3.  ёмкость для произведённого водорода;
4. склад для морской соли;
5. блок испарителей тепловых насосов. 

    Вариант простейшей и надёжной конструкции самого испарителя показан на рис. 3. Его корпус состоит из трубы 1 (стальной с покрытием), закрытой по торцам фланцами с уплотнительными прокладками. К верхней стенке примыкает жёлоб 2, боковые кромки которого сверху имеют рифление для равномерного распределения конденсата хладагента по всей длине испарителя. Жёлоб поджимается к стенке трубы постоянными магнитами 3, установленными с определенным шагом по всей его длине, а торцы упираются в уплотнения фланцев. В одном из них – ближнем к берегу – имеются каналы для подачи конденсата хладагента (4) и отбора его паров (5). 

Рис. 3. Испаритель 

1.  труба;
2.  лоток;
3.  магнит; 
4.  канал ввода конденсата хладагента; 
5.  канал возврата паров хладагента. 

        В рабочем режиме хладагент сплошной плёнкой стекает по стенке трубы, нагревается теплом морской воды, испаряется и в парообразном виде возвращается в машинное отделение ЭС. 

         Такие электростанции, расположенные на всех побережьях морей и океанов, а также на реках, озёрах и других крупных водохранилищах, способны полностью решить проблему комплексного энергоснабжения населения Земли. К тому же, перевод автотранспорта на водородное топливо и электроэнергию, а морского и речного транспорта – на тепловую энергию забортной воды (см. патент № 2739089 от 21.12.2020.) позволит полностью отказаться от углеводородного топлива. 

         Однако для этого должны быть мобилизованы немалые человеческие усилия, устранены препятствия, создаваемые олигархатом, наживающимся на расхищении углеводородов, а также решена проблема максимального энергосбережения. А надежды на это очень мало: народы мира спокойно почивают и не озабочены гибнущей Природой и надвигающейся глобальной экологической катастрофой. И если всё-таки здравый смысл превзойдёт пассивность населения планеты и наконец-то будет запущена глобальная программа полного перехода на экологически чистые возобновляемые энергоресурсы, человечество обретёт шанс на спасение.

Н.Ясаков 

Новороссийск, 2023.