В тропиках морские глубины холодные, а морская поверхность очень теплая. Эту разницу температур можно использовать и превратить в электричество. Если мы сможем улучшить технологию, этот метод производства энергии может стать находкой для островных государств, которые полагаются на дорогое и загрязняющее окружающую среду дизельное топливо.
Более века исследователи изучали идею преобразования тепловой энергии океана. В идее извлечения энергии из разницы температур нет ничего принципиально нового. Фактически, лежащая в основе технология аналогична тому, как угольные, газовые и геотермальные электростанции вырабатывают электричество, используя пар для вращения турбины.
Задача состоит в том, чтобы найти правильное место, где перепады температур оправдывают себя. Это означает относительно близко к экватору — подумайте о севере Папуа-Новой Гвинеи, Филиппинах и у берегов южной Японии.
В настоящее время пилотные установки способны генерировать лишь часть того, что может произвести большая ветряная турбина. Но с другой стороны, океанские тепловые электростанции могут генерировать электроэнергию 24 часа в сутки.
Как это работает?
Эти электростанции работают, пропуская жидкости с низкой температурой кипения, такие как аммиак, через замкнутый контур . Тепло от теплой морской воды (от 20 до 30 ℃) нагревает жидкость до тех пор, пока она не превращается в пар, который можно использовать для вращения турбины. Затем пар подвергается воздействию холодной морской воды (около 5 ℃), которая снова превращает его в жидкость, чтобы цикл мог продолжаться. Чтобы получить эту холодную воду, у этих заводов есть трубы, тянущиеся на 600 метров вглубь моря.
Преимущества системы очевидны: это замкнутый контур, нагреваемый и охлаждаемый теплообменниками без сброса жидкости в океан. И он доступен в любое время, в отличие от хорошо известных периодических проблем, связанных с более развитыми возобновляемыми технологиями, такими как солнечная энергия и ветер.
Недостатком является то, что в настоящее время технология не готова к прайм-тайму. Пилотная установка на Гавайях, установленная компанией Makai Ocean Engineering в 2015 году, имеет мощность 100 киловатт. Это в 20–30 раз меньше, чем у типичной ветряной турбины при работе, или эквивалентно примерно 12 солнечным батареям в домах или на малых предприятиях в Австралии.
Основная техническая проблема, которую необходимо решить, — получить доступ к большим объемам необходимой холодной морской воды. Пилот Макая использует трубу диаметром один метр, которая погружается на 670 метров в океанские глубины.
По оценкам Макаи, чтобы увеличить мощность до более полезной станции мощностью 100 мегаватт, труба должна быть десятиметровой в диаметре и иметь глубину до одного километра. Такая инфраструктура стоит дорого и должна быть построена таким образом, чтобы выдерживать коррозию и циклоны.
Если заводы построены в море, стоимость линий электропередач добавляется к общим расходам. По оценкам Макаи, 12 морских электростанций коммерческого масштаба могли бы покрыть общие потребности Гавайских островов в электроэнергии.
Если заводы OTEC могут быть построены достаточно большими, стоимость снизится. Но есть и другая проблема. Чтобы приблизиться к стоимости ветра и солнца (теперь всего 1–2 цента за киловатт-час), океанским тепловым электростанциям потребуется вода, проходящая через систему примерно на четыре Ниагарских водопада в любой момент времени.
Почему требуется такой огромный объем воды? Короче говоря, термодинамическое узкое место. Физика любого преобразования энергии означает, что невозможно преобразовать всю тепловую энергию в механическую работу, например, вращение турбины. Этот вопрос эффективности является реальной проблемой для океанских тепловых электростанций, где процесс преобразования энергии имеет относительно небольшую разницу температур между теплой и холодной морской водой. В свою очередь, это означает, что лишь очень небольшой процент тепловой энергии морской воды преобразуется в электричество.
Сможет ли OTEC найти применение, несмотря на стоимость и технические проблемы?
Хотя эти электростанции не могли конкурировать с ветровой и солнечной энергией на крупных континентальных рынках, они могли бы сыграть роль для небольших островных государств, разбросанных по Тихому океану и Карибскому бассейну, а также для островов, удаленных от основной энергосистемы, таких как остров Норфолк или многие из небольшие индонезийские острова.
Островные государства, в частности, как правило, имеют высокие розничные цены на электроэнергию, низкий спрос на электроэнергию и зависимость от импортного дизельного топлива для производства электроэнергии. Исследователи из Кореи и Новой Зеландии доказали, что OTEC может быть жизнеспособным источником базовой мощности для островных государств, но только после того, как будет построено больше пилотных электростанций, чтобы помочь усовершенствовать конструкцию более крупных электростанций.
Если бы мне поручили помочь островному государству производить собственную чистую энергию, я бы в первую очередь обратил внимание на геотермальную энергию, более зрелую технологию с более выгодной экономикой. Это связано с тем, что районы, наиболее благоприятные для установок OTEC, обычно имеют значительный потенциал для геотермальной электроэнергии, производимой путем бурения скважин на суше и использования высокотемпературных жидкостей из этих скважин.
Тем не менее, OTEC может сыграть полезную роль, решая сразу несколько задач. Возьмите охлаждение. Вы можете взять прохладную морскую воду и использовать ее в качестве кондиционера, как это делают два курорта во Французской Полинезии. Вы также можете использовать эту прохладную воду в аквакультуре для выращивания холодноводной рыбы, такой как лосось, или как способ поддержания прохлады поверхностных вод во время морской жары, угрожающей рыбоводству в Новой Зеландии. Возможно, даже удастся использовать заводы OTEC для производства водорода в качестве экспортного товара в небольших островных государствах.
Для достижения наших неотложных целей по сокращению выбросов стоит изучить все варианты использования возобновляемых источников энергии.
Мы пока не должны списывать OTEC. Однако на данном этапе трудно понять, как океанские тепловые электростанции могут стать конкурентоспособными с более развитыми возобновляемыми источниками энергии, такими как ветер, солнечная энергия и даже геотермальная энергия, учитывая огромные объемы требуемой холодной морской воды. Отметьте это как «имеет потенциал, но требует дополнительной работы».
