Планета Океан (TEC7)

Нашу планету по иронии судьбы называют Землёй.
Название «Земля» присутствует в массе языков, связывая нашу планету с прочной твердью, к которой мы привыкли в своих обычных построениях.
В то время, как настоящим, истинным названием нашей планеты вполне может быть именно «Океан». Ведь жидкая вода занимает в виде гидросферы около 71% поверхности Земли (или порядка 361 миллиона квадратных километров), оставляя для суши жалкие 29% площади планеты.
Есть места из космоса, при взгляде с которых наша планета так и выглядит. Как сплошной Океан, в котором изредка встречаются мелкие островки весьма одинокой суши:



И именно об Мировом Океане и о его громадном потенциале я хотел бы поговорить сегодня с вами. Ну а попутно, походя, мы зацепим и все те жалкие куски суши, которые к этому Океану прилепились. Если что, то Россия тут — слева вверху. А маленький остров слева внизу — это Новая Зеландия.
Этот пост будет о той самой альтернативной энергетике, которую я здесь часто ругаю. Но сегодня у нас по отношению к ней будут и тёплые слова. Будем справедливы.

С Мировым Океаном у человечества связано сразу несколько идей, касающихся энергетики.
Конечно же, основная идея, о которой я уже говорил, связана с получением тяжёлого изотопа водорода — дейтерия, пригодного для термоядерного синтеза, из гидросферы планеты.
Термоядерный реактор с электрической мощностью в 1 ГВт, использующий так называемое термоядерное «монотопливо» (реакцию D+D) сожжёт за год около 200 кг дейтерия.

Если предположить, что все термоядерные электростанции будут производить в будущем столько же, сколько сегодня производят все электростанции Земли, то потребление дейтерия для их нужд составит всего 3 000 тонн дейтерия в год.
Дейтерия, которого у нас 10¹³ тонн только в гидросфере Земли (которую и в самом деле зря не назвали «Океаном»)  нам хватит на то, чтобы снабжать человечество энергией в течение многих миллионов лет.
Тяжёлого водорода у нас около 0,015% от числа атомов его лёгкого собрата-протия, но даже такой скромной доли дейтерия вполне достаточно для обеспечения экономической целесообразности процесса получения термоядерного топлива из морской или пресной воды.

Приятным бонусом реакции D+D является практически бесплатная наработка в ней топлива для реакций D+T для гелиевого цикла на ³He (пресловутом гелии-3).
Всё дело в том, что продуктами реакции D+D является всё то же термоядерное топливо — а именно тритий и гелий-3!
Основная реакция D+D идёт по двум путям: на тритий и протон и на гелий-3 и нейтрон.
Если не сильно утомлять вас различными формулами и сечениями реакций (а попросту говоря — их вероятностями), то ситуация в дейтериевой плазме будет развиваться по следующему сценарию:
Основные реакции:


Побочные реакции:



Тритий и гелий-3 достаточно хорошо горят и сами в дейтериевой плазме, но если придумать, как их оттуда забирать, то «сложная» дейтериевая реакция, кроме того, что обеспечит нам энергетический «рог изобилия» сама по себе, ещё и сможет нарабатывать как тритий для простой, «детской» реакции D+T, над которой мы бьёмся уже сегодня, так и гелий-3, основная ценность которого — в качестве уникального топлива для межпланетных и (чем чёрт не шутит!) даже межзвёздных перелётов.

Однако, сегодня мы поговорим не о «светлом термоядерном послезавтра», а об «альтернативном зелёном завтра». В котором, кстати, у нас отнюдь не карликовые проекты, которые тоже связаны с Мировым Океаном.
Вначале — посмотрим на райские места нашей планеты, обделённые нефтью и газом, но зато богатые солнцем и морской водой. Именно тут возможно реализовать проект, который может обеспечить практически неограниченные потребности в энергии. Да ещё и при возможности иметь весьма эксклюзивный вид из окна:



Речь идёт о электростанциях на температурном градиенте морской воды.

Идее таких преобразователей, получающих электричество из простой разницы температур мы обязаны французу Жаку Арсену Д'Арсонвалю.



Французского врач Жак Арсен Д’Арсонваль (1851 — 1940) в медицинской среде известен, как изобретатель метода лечения при помощи электрических токов. Воздействие на поверхностные ткани и слизистые оболочки организма импульсными токами высокой частоты и сегодня называется дарсонвализацией. Электротехникам он известен как создатель гальванометра. Знают его и энергетики.

В 1881 году Д'Арсонваль предложил необычный паровой двигатель. Вы знаете, наверное, что паровой двигатель может работать, только когда температура пара, выходящего из его котла, выше, чем температура окружающей среды. Тогда, соприкасаясь с ней, он снова может превратиться в жидкость. Полученную жидкость можно снова закачать насосом в котел, там превратить в пар, и так поступать снова и снова, замкнув так называемый паровой цикл Ренкина.
Именно этот момент (наличие холодного конденсатора, необходимого для работы любого теплового цикла) часто упускают из виду многие, рассуждая о тепловых машинах. А ведь именно наличие холодного конденсатора с заданной температурой задаёт многие параметры тепловой машины. И когда конденсатор оказывается внезапно слишком «тёплым», это часто приводит к массе проблем, как, например, случилось с АЭС «Хурагуа» на Кубе.  Тогда оказалось, что расчетная температура охлаждающей воды для работы АЭС была задана советскими проектировщиками в 28 °C, в то время, как температура воды в Карибском море, как оказалось, на Кубе никогда не опускалась ниже 30 °C, а иногда и спокойно доходила до 35-37 °C.

С ещё более сложной проблемой столкнулся в своих рассуждениях и идеях Д'Арсонваль в 1881 году.
Его идеей было поставить на службу человечеству «бесхозный» температурный градиент морской воды, наблюдающийся при переходе от тропических, нагретых Солнцем поверхностных слоёв воды к более глубоким, холодным слоям воды Мирового Океана в тех же тропических широтах.
Вот картинки современных исследований, проведенных с целью определения данного градиента в различных точках земного океанического шара:

Глубины 0 метров / 500 метров, разницы температур:



Глубины 0 метров / 1000 метров, разницы температур:



Всё, что заштриховано на карте оттенками красного и жёлтого — теоретически подходит для использования в цикле тепловых машин. В этих местах «океанического шара» разница температур между поверхностным слоем и слоем расположенным на глубине в 1 километр (а кое-где — и на глубине «всего лишь» в 500 метров) составляет больше 20 °C.

О важности разности температур для работы любой тепловой машины я говорил в своей старой статье о фреонах и о тепловых машинах, построенных на их использовании. Именно разница температур (ΔT) определяет КПД любой тепловой машины.
Обычно инженеры не мучаются с подбором вариантов по ΔT, просто нагревая горячую часть тепловой машины как можно интенсивнее за счёт сжигания топлива, и используют тот конденсатор, что бесплатно предоставляет им сама Природа.
В случае же Д'Арсонваля и его идеи «прикрутить» к его тепловой машине ещё и бесплатный нагреватель в виде Солнца, греющего поверхностный слой воды, выбирать не приходилось.
Природа давала ему лишь градиент в 20-25 °C, а дальше предлагала самому сварить в голове «хреновую юшку» из такой «дешёвой, но поганой рыбки».
Ограничение «снизу» по температуре, которое я озвучил, как 20 °C, задавалось для Д'Арсонваля самой физикой работы тепловой машины, описаной ещё Сади Карно.
Вот эта простая формула, описывающее идеальный КПД любой тепловой машины:


Как видите, она проста и лаконична и в ней присутствуют только два параметра — температура холодильника (конденсатора) Т_х и температура нагревателя Т_н. Они, и только они, определяют нам идеальный КПД тепловой машины. Считаются обе температуры, как и всё в термодинамике, от абсолютного нуля градусов, выраженного в ноль градусов Кельвина.

Нетрудно посчитать, что для случая градиента в 20 °C и для температуры поверхностного слоя (нагревателя тепловой машины) в 35 °C Д'Арсонваль мог в идеале рассчитывать всего лишь на 7% КПД.
В реальной же жизни, за счёт различных расходов установки, которые тоже составляют до 5-6% от полезной энергии, вырабатываемой самой электростанцией, чистый выход идеи Д'Арсонваля вообще мог упасть до 1-2%.

Но проблема была даже не низком КПД. Чёрт с ним, у паровой машины Ньюкомена КПД был и того хуже!
Проблема была в том, что у Д'Арсонваля вообще не было пара для его тепловой машины!
Ведь, если кто забыл, фреоны были изобретены уже гораздо позже 1881 года. Да и скромный патентный служащий со своими (или всё же не своими?) идеями насчёт спирта ещё тоже был там, в отдалённом будущем.

По состоянию же на 1881 год человечеству были известны среди низкотемпературных вариантов тепловых машин только аммиачно-водный цикл, сернисто-ангидридный цикл и цикл на диэтиловом эфире. Все эти паровые циклы нуждались в весьма капризных и дорогих химических компонентах. Ведь аммиак ещё тоже надо было научится получать хоть сколь-либо эффективнее, нежели из всяких неаппетитных отходов жизнедеятельности живых существ, а сернистый ангидрид и диэтиловый эфир ещё и были весьма неудобными в использовании.

Поэтому Д'Арсонвалю пришлось ограничится демонстрацией принципиальной возможности цикла на сернистом ангидриде, после чего о его идее благополучно забыли почти на полвека.

Для цикла Д'Арсонваля долго не удавалось подобрать другую легкокипящую жидкость вместо сернистого ангидрида: одни были дороги, другие были ядовиты, третьи — огнеопасны.
И лишь в 1926 году два других французских инженера Георг Клод и Поль Бушеро предложили применить в двигателе Д’Арсонваля самую совершенную, самую простую и наиболее нетоксичную жидкость — воду!
Да, каждый из вас знает, что вода кипит при 100 °C. Но каждый, помнящий курс школьной физики или же пытавшийся сварить яйца где-нибудь высоко в горах, знает, что вода может кипеть и при температурах, гораздо более низких, нежели 100 °C. Нужно лишь создать пониженное давление. В 1926 году Клод и Бушеро продемонстрировали перед Французской академией наук двигатель, в котором вода кипела при температуре 28 °С, пар вращал турбину, а от генератора турбины легко горели лампочки.

Для достижения кипения воды при температуре 28°С, как это было в опыте Клода и Бушеро, им пришлось снизить давление в их установке до значения в 0,03 атм. В процессе кипения пар через трубку из колбы с водой перетекал в колбу со льдом, который и обеспечивал быструю конденсацию паров воды для поддержания стабильно низкого давления. Скорость истечения водяного пара в опыте оказалась на удивление велика — до 500 м/с. Такой скорости вполне хватало, чтобы раскрутить хорошую одноступенчатую турбину со сверхзвуковыми соплами Лаваля.

В одном из таких экспериментов мощность генератора кратковременно достигла 3 кВт. На этом принципе ученые в 1928 году построили электростанцию возле бельгийского металлургического завода Угрей-Мариэй на реке Маас. Источником тепла для нее служила вода, охлаждавшая заводскую домну. Эту воду обычно сбрасывали в реку. Температура этой воды всегда была на 20° С выше, чем в реке, но этой небольшой разности температур оказалось вполне достаточно, чтобы кипящая при пониженном давлении вода приводила в действие турбогенератор мощностью в 50 кВт.
Сейчас такое использование техногенного тепла становится практически обыденностью — «мечты сбываются» и человечество уже легко получает совершенно халявные киловатты мощности от машин, идею которых предложил ещё Д'Арсонваль. Впрочем, сейчас в таких установках больше используют фреон, нежели воду при низком давлении.

Ну а как же наша идея о Мировом Океане?
Накопив необходимый опыт, в 1930 году инженеры Построили на Кубе установку, уже работающую от разности температуры океанских вод.
При этом выяснилось: самое сложное — это подъем с больших глубин холодной океанской воды, обрастание труб морскими организмами и значительный расход энергии на перекачивание самой морской воды по километровым подводящим трубам.


Подводящие трубы кубинской установки Клода и Бушеро.

Клод и Бушеро в итоге получили со своей кубинской установки полезную мощность около 28 кВт, при этом потратив на её создание более миллиона долларов из собственных средств. Кроме того, выяснилось, что даже в тихой бухте Матанзас, которую изобретатели выбрали для своей первой установки, тоже иногда штормит, в результате чего первый же небольшой шторм вдребезги разнёс всю хлипкую конструкцию из понтонов и полупогружённых труб.
Кроме того, сама идея расположения установки на берегу задавала длину труб (по разным данным длина труб установки колебалась от 1,8 до 2,5 километра), в результате чего вся полученная полезная энергии электростанции тратилась тут же на перекачку морской воды по трубам. Есть даже мнение, что первая установка Клода и Бушеро так и не вышла на положительный энергетический баланс, с учётом расходов на энергию насосного и вспомогательного оборудования.

Учтя свой кубинский опыт, в 1934 году ученые начали сооружение плавающей установки для производства льда, основанной на похожих принципах, возле Рио-де-Жанейро. Мощность бразильской установки была увеличена до 1,2 МВт, с тем, чтобы уменьшить в ней долю расходов на собственные нужды, а использование списанного судна позволило сократить длину труб.

Списанное судно Tunisie, использовавшееся для опытов Клода и Бушеро.

Однако при строительстве установки произошла авария. Продолжить работу Клод и Бушеро уже не смогли — из-за банальной нехватки наличных средств.
Посмотреть на процесс строительства и эксплуатации установки Клода и Бушеро на Кубе и в Бразилии можно вот по этой ссылке.
Старая киносъёмка хорошо передаёт масштабы и размах того первого начинания по технологии OTEC (Ocean thermal energy conversion), как называют сейчас установки, основанные на использовании температурного градиента морской воды на Западе.

К идее установок OTEC возвратились снова уже после Второй мировой войны.

В 1974 году правительством США на Гавайях была создана специализированная лаборатория NELHA, и уже в 1979 году на ее базе инженеры Lockheed, Dillingham Corp и Makai Ocean Engineering построили экспериментальную станцию Mini-OTEC мощностью в 50 кВт. Она располагалась в 2 км от Кихоул-Пойнт на борту переоборудованной баржи ВМФ США. Забор холодной воды с температурой в 6°С осуществлялся с глубины 900 метров по полиэтиленовой трубе, а критически важные элементы системы – теплообменники – были выполнены из титана. Mini-OTEC стала первым в истории проектом с положительной нетто-мощностью, достигавшей при оптимальных погодных условиях выдачи в сеть до 15 кВт полезной мощности. Правда, через два года этот рекорд был побит японцами.


Установка ОТЕС в Кихоул-Пойнт, Гавайи

Ещё в 1970 году печально знаменитая теперь японская компания TEPCO приступила к созданию экспериментальной установки OTEC на столь же печально знаменитом острове Науру.
Эта установка имела мощность в 120 кВт и была предназначена для электроснабжения ближайшей школы и небольшого посёлка на Науру. При этом около 90 кВт мощности установки расходовалось на её собственные нужды, в то время, как полезная мощность составляла всего 30 кВт.
Установка на Науру была пущена в 1981 году и до сих пор держит рекорд в части максимальной мощности установки, долговременно подключенной к электрической сети с реальными потребителями. Видео об этой японской установке есть тут и тут.
Сейчас эта установка остановлена и демонтирована.

Главная проблема установок OTEC кроется в их гигантских теплообменниках и в длинных трубах для подачи морской воды. Многолетние эксперименты на Науру и на Гавайях показали, что их эффективность очень быстро падает из-за загрязнения солями и микроорганизмами. С морской живностью пытались бороться механическими способами: фильтрацией и чисткой. Но установка фильтров приводит к слишком большим энергозатратам на прокачку воды, а подача губчатой резиновой дроби в каналы системы почему-то лишь стимулирует размножение микроорганизмов.

Руководитель проектов OTEC корпорации Lockheed Martin Роберт Варли считает, что активная коммерческая генерация энергии из температурного градиента океана начнется лишь через 20–30 лет, а в ближайшие годы придется обкатывать технологию на пилотных опытных установках по 5–10 МВт мощности.

При таком росте размера установки встаёт и ещё одна острая проблема – для установки требуется, как ни крути, километровая труба для забора и подъема глубинной воды. В первых версиях установок обоих типов (и на Науру, и на Гавайях) ее делали из толстого полиэтилена. Для маломощных станций в десятки киловатт этот материал вполне приемлем. Но экономические расчеты показали, что минимальная нетто-мощность плавучей установки, претендующей на коммерческий успех, должна быть не менее 50 МВт. По оценке специалистов, для такого сооружения  понадобится стекловолоконная труба диаметром около 8,7 м и с толщиной стенки 75 мм. Масса такой трубы в сборе составит уже  около 2500 тонн, что дополнительно усложняет требования к плавучей платформе.

Современные разработки систем OTEC в большинстве своём используют уже не воду при низком давлении, а фреоны — это упрощает их конструкцию и уменьшает размер теплообменников. Кроме того, не приходится возиться с деаэрацией и очисткой воды.

Но и старые добрые системы OTEC открытого цикла имеют неоспоримые плюсы, главный из которых — это попутное опреснение большого объема воды. Напомню, что в процессе работы установки вода переходит в газообразное состояние, что автоматически решает проблему опреснения поступающей воды.
Компактные установки, способные обеспечить военно-морские базы электричеством и питьевой водой «в одном флаконе», крайне актуальны для армии и военно-морского флота США. Корпорация Lockheed Martin к 2015 году по контракту с ВМФ должна запустить на Гавайях пилотную тепловую электростанцию (пока закрытого типа) мощностью 5 МВт. Если она оправдает надежды, то партнеры приступят к реализации сразу двух больших проектов мощностью 100 МВт — на Гавайях и на острове Гуам. Кроме того, в течение двух лет на удаленной базе Диего Гарсия компания OCEES International начнет строить для моряков  ВМФ США небольшую установку открытого типа в 13 МВт нетто-мощности, которая заменит нынешние дизель-генераторы и будет выдавать на-гора ещё и по 4,7 млн литров пресной воды в сутки.

Хорошо, скажет придирчивый читатель. А при чём тут Россия?
Гавайи мы так и не присоединили (ну вот не захотел Александр I рисковать ради каких-то клочков суши на планете Океан), Папуасской Совестской Социалистической Республики в составе СССР вроде бы тоже не было (не поняли современники товарища Миклухо-Маклая), так что же автор нам тут хочет сказать?
Ну нет у нас пальм и такой водички, как на фото чуть повыше в статье!

У нас море вот такое:


Да, русское море — это не Гавайи!

Но «дельта-те» (ΔT) вообще-то пофиг, что вода в Арктике почти что замерзает, имея в страшном сне температуру в 4 °С.
Важна не температура, а разность температур.

Несмотря на то, что Россия расположена очень далеко от красивой, красной «тропической зоны», мы можем развернуть свои мощности по станциям OTEC как раз в Арктике! Только надо поменять холодильник и нагреватель местами. Комбинация очень холодного воздуха Арктики и морской воды с плюсовой температурой дает градиент далеко за 25 и даже за 30 °С . При этом установка будет гораздо дешевле классической: километровая труба для забора глубинной воды в данной схеме просто не нужна — относительно «тёплую» морскую воду можно брать прямо с поверхости Северного Ледовитого Океана.

Ну а микроорганизмы... Да.
Трудно микроорганизму при 4 °С. И мало организмов могут жить сразу и в пресной, и в солёной воде.
Ну а пресной воды — в Арктике завались. Вон, мишка прямо по пресной воде и прыгает, засранец эдакий.
Так что, господа, скрипач не нужен. Всё есть под рукой — бери и пользуйся.

Вот только института по исследованию и постройке электростанциий на температурном градиенте морской воды в России пока нет.
А жаль, пора создавать. Лишним это не будет.