Тепловая энергетика океана - «Новости - Энергетики»

Впервые идея преобразования тепла океана OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) в электрическую энергию была предложена в 1881 году французским физиком д’Арсонвалем. Такие ОТEС работают по замкнутому циклу Ренкина: теплые поверхностные воды прокачиваются через испаритель, превращая в пар рабочее тело с низкой температурой кипения (аммиак), который затем поступает через турбогенератор в холодильник, где конденсируются, охлаждаемые путем прокачки через теплообменник холодной воды с большой глубины.

При разности температуры воды в 24°С для получения 1 МВт «полезной» мощности через теплообменники ОТЕС должно пройти не менее 40 МВт тепловой мощности, что требует огромных расходов воды. Но, несмотря на это, технологии ОТЕС привлекательны своей доступностью в тропической зоне океана в режиме 24 часа в сутки, семь дней в неделю, 365 дней в году. Надежность, долгий срок эксплуатации и несомненные экологические преимущества делают ОТЕС перспективной темой развития энергетики на базе использования возобновляемых источников энергии.
Первую опытную ОТEС, но на базе другой технологии – открытого теплового цикла, с морской водой в качестве рабочей жидкости – предложил французский инженер Ж. Клод, который в 1928 году создал и испытал ее в море на северном побережье Кубы. Это была вакуумно-водяная ОТЕС, развивавшая 22 кВт электрической мощности и вырабатывавшая при этом пресную воду.
Несмотря на несколько неудачных проектов Франции, в 60-х годах интерес к ОТЭС возник в США. Ожидалось, что рост цен на нефть в этот период обусловит рентабельность нового источника энергии. Бюджет США на протяжении пятнадцати лет субсидировал исследования в области ОТEС в суммах, исчисляющихся сотнями миллионов долларов. В 1979 году концерном Lockheed Martin при поддержке ВМС США была создана и испытана у берегов Гавайев первая в мире плавучая мини-ОТЕС замкнутого цикла выходной мощностью 18 кВт. Она была размещена на барже, а охлаждающая вода температурой 4 °С подавалась с глубины 670 м по полиэтиленовому трубопроводу диаметром 60 см. Через год там же провели испытания демонстрационной ОТЕС-1 замкнутого цикла мощностью 1 МВт, созданной космической корпорацией TRW defence & space. Эксперименты дали положительные результаты и продемонстрировали возможность работы плавучей ОТЕС при передвижении в тропических водах с малой скоростью.

Там же, на Гавайях, в 80-х годах был создан береговой центр «Национальная энергетическая лаборатория» (NELHA), оснащенный системой подачи воды с глубины по нескольким трубопроводам. В 1991 году Институт океанологии АН СССР подписал соглашение с Институтом океанографии Кубы о создании на острове Международной лаборатории энергетики океана, аналогичной NELHA, но изменившаяся политическая ситуация перечеркнула этот проект. В 1993 году в NELHA была создана демонстрационная ОТЕС открытого цикла полезной мощностью 103 кВт и с одновременным выходом 1440 л/ч пресной воды, что до сих пор является максимальными показателями производительности, полученными от ОТЕС.
Компания «Тошиба» в 1981 году создала на острове Науру демонстрационную береговую ОТЕС замкнутого цикла полезной мощностью 31 кВт, и там же было начато строительство ОТЕС мощностью 5 МВт. Уже тогда специалисты считали, что ОТЕС может составить конкуренцию традиционным источникам, если цены на нефть возрастут до 40 долларов/баррель. Однако снижение цен на природное топливо остановило эти работы, так же как и аналогичные проекты США, Великобритании, Европы, Индии и Тайваня. В СССР в разработке проектов ОТЕС участвовали ИО АН СССР, ИПМТ (г. Владивосток) и ряд других организаций, но в современной России эти работы прекратились и не проводятся.

За рубежом, несмотря на снижение государственной поддержки, исследования по использованию тепловой океанской энергии все же продолжились. В 1991 году была создана Международная ассоциация OTEC/DOWA с центральным офисом на острове Тайвань, которая объединила многих специалистов из разных стран, прежде всего для разработки масштабного проекта демонстрационной ОТЕС в водах острова. В Японии были экспериментально исследованы для ОТЕС новые тепловые циклы Калина и Уэхара, в гавайской лаборатории NELHA разрабатывались гибридные схемы ОТЕС и проводились испытания трубопроводов, насосов и теплообменников, на полигоне индийского Института океанских технологий (NIOT) изучались новые элементы ОТЕС. В подобных работах постоянно участвовало несколько американских компаний во главе с военно-промышленным концерном Lockheed Martin Corp., который уже около сорока лет планомерно занимается разработками технологий ОТЕС для создания плавучих баз ВМС США и в коммерческих целях.


Первая в мире плавучая мини-ОТЕС замкнутого цикла с выходной мощностью 18 кВт была размещена на барже

Международная панорама современных достижений

Максимальный коэффициент эффективности ОТЕС не превышает 8%, но до сих пор было достигнуто менее 3%. Поэтому основной задачей развития таких технологий является повышение эффективности установок за счет совершенствования теплообменников и других основных элементов, снижения собственных затрат, разработки экономичных способов создания и размещения в океане трубопроводов холодной воды.
Развитие новых технологий и преемственность ОТЕС инновациям в нефтяной и газовой промышленности делает их конкурентоспособными, особенно на фоне роста стоимости природного топлива и электроэнергии в развивающихся прибрежных государствах и на отдаленных островах. Этому также способствует необходимость обеспечения экологической безопасности и геополитические причины.

В 2011 году американская корпорация Lockheed создала теплообменник для ОТЕС с улучшенными характеристиками, используя новейшую технологию сварки, применявшуюся корпорацией при производстве космического челнока Orion и корабля береговой обороны Little Rock. Затраты на новый теплообменник оказались вполовину меньше прежних расходов. Также в 2011 году корпорация запатентовала способ наращивания трубопровода холодной воды с плавучей платформы ОTEC в глубину прямо в открытом океане. Эта технология позволяет создать трубу из композитных материалов диаметром 10 м и длиной около километра структурно одним целым, что обеспечивает максимальную надежность конструкции в экстремальных условиях работы. Недавно Окриджская лаборатория разработала технологию на основе графитовой пены с высокой теплопроводностью, позволяющей в два раза увеличить эффективность теплообменника и значительно уменьшить его размеры.
Правительство США в 2009 году выделило Lockheed Martin первый грант в сумме 12,5 млн долларов на строительство плавучей ОТЕС мощностью 10 МВт в гавайских водах. Этот проект представлен как первый шаг на пути к созданию установок мощностью 100 МВт около Гавайев, а затем в водах Пуэрто-Рико, а также возле американских военных баз на островах Диего-Гарсия, Маршалловых островах и острове Гуам.

В 2011 году компания ОТЕС International LLC (США) приступила к созданию на территории NELHA береговой демонстрационной ОТЕС мощностью 1 МВт и разрабатывает проект строительства на Гавайях прибрежной ОТЕС на 100 МВт.

Американская компания Ocean Thermal Energy планирует построить на Багамских островах две ОТЕС мощностью 10 МВт каждая. Большим достижением США является подписание в 2013 году соглашения между концерном Lockheed Martin и пекинской компанией Reignwood о создании и размещении на юге Китая к 2017 году первой в мире коммерческой плавучей ОТЕС мощностью 10 МВт.

В 2009 году во Франции военная судостроительная корпорация DCNS приступила к проекту создания нескольких ОТЕС на острове Реюньон. Проект первой ОТЕС мощностью 1,5 МВт финансирует французское правительство на сумму 5 млн евро. Для береговых испытаний на острове построена станция PATETM, подобная HELHA, но гораздо меньшая по размерам и возможностям. Создание основных элементов ОТЕС ведется на верфи корпорации в Нанте с дальнейшей транспортировкой на Реюньон, где в 2015 году планируется окончательная сборка энерго­установки. В начале 2010 года корпорация DCNS подписала соглашение о разработке проекта ОТЕС для тихоокеанского острова Таити, а затем заключила аналогичное соглашение о создании на острове Мартиника плавучей ОТЕС мощностью 10 МВт. Корпорация DCNS разработала долгосрочную программу по возобновляемой энергетике океана (тепло, течения, ветер в открытом море) и для этой цели создала Центр океанской энергетики в городе Бресте. Успех этой программы гарантируется передовыми технологиями и большими производственными возможностями корпорации.
В Японии при университете города Сага в 2003 году был образован Институт энергетики океана (IOES). Сегодня он является одним из мировых центров, где патентуются и исследуются различные технологии преобразования тепловой энергии океана, например многоступенчатые гибридные циклы. Внедренческими работами IOES занимается дочерняя компания Xenesys Inc., главным направлением деятельности которой является создание ОТЕС с использованием тепла сбросовых промышленных вод для Японии, Индии, Французской Полинезии и других стран. В 2013 году на острове Кума (Окинава) была введена в эксплуатацию первая в мире коммерческая ОТЕС мощностью 50 кВт, производящая одновременно с электричеством различную продукцию по океанским технологиям.
Ведущие страны в области тепловой океанской энергетики начали налаживать кооперационные связи и обмен технологическими достижениями. Так, осенью 2013 года в Гонолулу (США) прошел первый Международный симпозиум по ОТЕС по вопросам геополитики, финансов, инвестиций, технологий, перспективных проектов и т.п., где участвовали эксперты из Японии, Южной Кореи, США, Франции, Нидерландов, Малайзии, Филиппин. Второй Международный симпозиум по OTEC будет проведен в 2014 году в Пусане (Южная Корея). Как дополнение к ежегодным симпозиумам в США и Корее в Швеции в 2013 году была проведена Международная конференция «ОТЕС Африки». Большие перспективы для обеспечения африканских стран электричеством и пресной водой на базе ОТЕС имеются у Нигерии, Танзании, Мозамбика и Кении, а также в Западной Африке. Активное участие в работе конференции приняли специалисты Швеции, Норвегии, Бельгии, Нидерландов, Великобритании, Японии и Италии.

Помимо электроэнергии, ОТЕС может производить большие объемы пресной воды, в которой человечество нуждается все острее. Так, например, гибридные ОТЕС мощностью 50 МВт могут давать 62 тыс. куб. м пресной воды в день, что обеспечивает потребности около 30 тыс. человек. Кроме того, при помощи ОТЕС мощностью 100 МВт можно путем электролиза производить около 32 тонн в сутки жидкого водорода для использования его в качестве экологически чистого топлива. В настоящее время капитальные затраты для ОТЕС замкнутого цикла мощностью 10 МВт оцениваются в среднем в сумму около 10 тыс. долларов США за кВт, а стоимость электроэнергии от них – около 0,2 цента за кВт·ч (7,5 руб­ля). Дополнительное производство пресной воды, водорода или аммиака может обеспечить существенное снижение этих показателей.

России создание ОТЕС может быть интересно для размещения в Мировом океане плавучих пунктов материально-технического обеспечения судов (пополнение запасов, предоставление отдыха экипажам и ремонта судов), энергообеспечения районов добычи сульфидных руд и конкреций, развития экономических связей и с гео­политической точки зрения.

Александр Горлов,
руководитель проекта «Энергетика океана» Института океанологии им П.П. Ширшова РАН