OTEC и декарбонизации атмосферы

   Ранее сообщалось о том, что электрогенерация при помощи OTEC (ocean thermal energy conversion) может способствовать декарбонизации атмосферы, жертвуя при этом закислением океана. 

   Принцип декарбонизации атмосферы основан на т.наз. насосе растворимости - охлаждая поверхность океана (и получая электроэнергию), вы способствуете большей растворимости CO2 в воде (см. график на тизере). Главное - обеспечить теплообмен между слоями океана без их массообмена (что в ранних вариантах OTEC не учитывалось), поскольку холодная глубинная содержит больше растворённого СО2. Для выполнения этого условия предполагалось разместить конденсатор на глубине. Но это оказалось неверным техническим решением.

   Рассмотрим уже знакомую нам опытную установку японцев на о.Науру в более презентабельном виде для анализа мощностного баланса

   Несмотря на большую глубину конца (6~7ºС) холодного трубопровода, мощность подающего насоса ненамного (в 1,5 раза) больше мощности насоса, подающего тёплую воду с поверхности моря, при примерно одинаковых расходах воды. В этом нет ничего удивительного, если помнить что открытая труба, погруженная в резервуар с жидкостью, образует вместе с ним систему сообщающихся сосудов. И работа, потребная для поднятия жидкости с глубины резервуара на поверхность через трубу, определяется лишь её гидросопротивлением.

   В случае, если бы мы отказались от магистрали, подающей холодную воду на поверхность, а вместо этого опустили конденсатор на глубину, то нам бы пришлось подавать сжиженный хладагент в нагреватель противодействуя ещё и гидростатическому давлению, совершая работу A = mgh. Для данной установки расход паров хладагента составил 74 тонны в час или 20,5 кг/сек. Это означает, что только на преодоление гравитации была бы затрачена мощность 20,5*9,8*600 = 120 кВт (Дж/сек). А ещё и возросшие потери на гидросопротивление в контуре хладагента! Не говоря уж о технологически более сложной конструкции. 

   Как же быть? Как нам оставить глубинную воду, богатую углекислотой без контакта с поверхностью и атмосферой? Очень просто! Нужно просто продлить сбросный трубопровод отработанной глубинной воды на соответствующую его температуре глубину. Да, это увеличит его гидросопротивление и несколько понизит энергетическую эффективность схемы, но зато наконец-то можно будет получить углеродно-отрицательный (за счёт охлаждения поверхностной воды) вид электрогенерации.

   Чтобы оценить такой эффект, отвлечёмся от значений на схеме выше. Мы рассматривали именно их только потому, что данная ОТЕС подробно описана разнообразными техническими параметрами. Но она далеко несовершенна. Её режим работы имеет электроэнергетическую эффективность всего 14%. Хотя, когда японцы решили попробовать разогнать её посильнее, то полезная мощность составила 30 кВт при 120 кВт на генераторе. А это уже 25% электро-эффективности. 

   Но эффективность растёт и при использовании более теплоэффективных (хотя и более опасных для человека) промышленных хладагентов - например, аммиака (к тому же дешёвого) вместо фреона (японцы использовали его при испытаниях именно из гуманитарных соображений). Однако наиболее интенсивный рост энергетической эффективности возникает при росте масштаба установок - это справедливо для любого вида энергетики (кроме, пожалуй, фотовольтаики). Так и для ОТЕС - увеличение диаметра трубопроводов и объёма теплообменников снижает тепловые потери и удельные гидросопротивления, кпд турбины тоже растёт вместе с её размером и т.д.

   Так, для Науру японцы проектировали уже коммерческую установку с генераторной мощностью 2,5 МВт и полезной мощностью 1 МВт, т.е. 40% эффективности (это следует из сопоставлений данных, приведённых по ссылке выше). Однако, по каким-то причинам эта установка так и не была построена (видимо, по тем причинам, что богатые в то время папуасы и их правительство предпочли забить свой маленький остров автохламом, заиметь собственный небоскрёб в Сиднее и госвложения в иностранные бумаги вместо капитальных вложений и развития). 

   Тем не менее от этих данных и будем отталкиваться, т.к. других - нет (американцы тоже экспериментируют с мегаваттными ОТЕС на Гавайях, но подробные технические данные мне не встречались).

   Целесообразно также между сбросными трубопроводами разместить дополнительный теплообменник. Для энергетической эффективности ОТЕС он смысла иметь не будет, но, в целях атмо-декарбонизации позволит охладить поверхностную воду за счёт глубинной ещё больше, до минимальной разницы между ними. Допустим, до разницы 20 и 16ºС соответственно. Теплообменник, конечно, добавит гидросопротивления насосам, но зато несколько сократит их в возвратном трубопроводе глубинной воды, так 16ºС соответствует примерно 300 м. глубины в тропическом океане. А охладив поверхностную воду с 30 до 20ºС мы повышаем её способность принять 0,3 гр. СО2 на каждый килограмм воды (см. график в тизере). 

  Прикинув "на пальцах" (просто лень удлинять повествование эскизными расчётами), принял что дополнительные, "декарбонизирующие" гидросопротивления снизят эффективность проектированной японцами ОТЕС с 40 до 30%, т.е. при 2,5 МВт на генераторе будет 0,75 МВт полезной нагрузки. За час через эту ОТЕС проходит 26400 кубометров поверхностной воды. Охладив её на 10 градусов, она сможет растворить в себе дополнительно 8 тонн атмосферного СО2, при выработке 0,75 МВт*ч. Или 10,5 тонн на каждый МВт*ч полезной электроэнергии. Или 92 килотонны СО2 на каждый мегаватт полезной мощности за год непрерывной работы.

   Много это или мало? Чтобы было много, то и таких ОТЕС должно быть много. А мест, где их можно построить на суше - мало (требуется крутой подводный склон в тропиках). Поэтому, чтобы ОТЕС было много, они должны быть плавучими (такие прожекты - тоже не новинка). А это, помимо больших капзатрат (хотя корпус можно делать из бетона), ещё и невозможность использовать электроэнергию с генератора непосредственно сетью потребителей. Для этого нужно запасать энергию, например, в виде электролизного водорода и потом транспортировать его на берег. Т.е. МВт*ч, полученный на ОТЕС  на суше будет гораздо меньше - в зависимости от способа утилизации. Но и антиуглеродный след этого МВт*часа будет столь же выше.

   Раз уж мы говорим о декарбонизации, нельзя не отметить некоторые дополнительные полезные свойства плавучих ОТЕС. Вода в море солёная и для её электролиза её нужно разделить обратным осмосом. Из пресной воды получается чистый водород, а из водного концентрата NaCl в специальном электролизёре получается водород, хлор и 33%-ая щёлочь NaOH (каустик).

   В настоящее время хлор так и получают - электролизом. Водород можно запасать в матерчатых дирижаблях и с ними же транспортировать ёмкости с хлором на берег (пустые баллоны и дирижабли возвращать на плавстанцию обычным транспортом). Хлор - полезный в народном хозяйстве газ - применяется от хлорирования воды до производства ПВХ. Избытков хлора не может быть, его всегда можно безопасно и с пользой утилизировать в подземном выщелачивании при добыче этим способом благородных металлов.

  А вот каустик пригодится на самой ОТЕС. Известно, что гидротехнические объекты страдают от обрастания, особенно в тропических морях. Поэтому для ОТЕС использовались полиэтиленовые трубы. Если рабочие поверхности теплообменников делать из меди (или покрывать ею), то они будут устойчивы к беспозвоночным-обрастателям. А вот обрастание бурыми водорослями медь предотвратить не может. Вот тут и пригодится каустик (в быту - "Крот"), запасы которого периодически будут пропускаются через водные трубопроводы. Мало того, NaOH попав в океан раскислит некоторую часть воды, прореагировав с растворённым СО2 в гидрокарбонат натрия! 

    Как видите, природа оставила манёвр для того, чтобы надеяться не только лишь на ветряки с панелями и верить не только в осуществление термояда. Можно получать устойчивый энергопоток, заодно декарбонизируя атмосферу (тем самым, оставляя возможность умеренного сжигания ископаемого топлива) за счёт ускоренного закисления океана и (частично) отложения гидрокарбонатов. Но зелёные бесы активно продвигают тезис о биоразнообразии и недопустимости изменения pH океана (с начала 19 века он понизился с 8,25 до 8,14). Но, имхо, их кукловоды лукавят и отлично понимают, что это меньшее зло, чем иные альтернативы. Просто пока ещё не выстроена глобальная цепочка углеродных налогов и распределения субсидий на зелёную генерацию. Вот когда выстроят, тогда закисление океана объявят не столь страшным и окажется что углеродно-отрицательные ОТЕС вполне конкурентоспособны в отношении углеродно-нейтральных ветряков.