Энергетические ресурсы океана

Тепловая энергия

В предыдущей главе были рассмотрены содержащиеся в океанах ресурсы традиционных источников энергии, хорошо изученных и освоенных на суше, - нефти, газа, угля.

Существующие способы получения механической и электрической энергии из этих источников основаны на сжигании последних в качестве топлив; способы эти имеют относительно низкий коэффициент полезного действия и сопровождаются большими потерями тепла. А такое тепловое "загрязнение" атмосферы может привести к потеплению климата и вызвать таяние ледников и глобальное наступление океана.

Однако океан располагает и другими видами энергии, практическое использование которых не имеет каких-либо вредных экологических последствий. Одним из таких видов энергии и является тепловая энергия океана.

Как уже указывалось, вода обладает довольно высокой теплоемкостью и способна аккумулировать солнечное тепло. Наиболее прогрет поверхностный слой океана, температура которого в тропических широтах превышает 25°С (см. рис. 3). С глубиной температура воды резко снижается и на глубине 600-800 м она уже не превышает 3-7°С.

Идея практического использования тепла океанической воды была впервые предложена французским ученым Д'Арсонвалем еще в 1881 году в связи с сокращением разведанных к тому времени запасов угля (главного источника энергии в то время), в предвидении энергетических кризисов будущего. Д'Арсонваль предложил использовать разность температур поверхностного и глубинного слоев океана в тепловой машине на основе цикла Карно. Сам Д'Арсонваль довольно скептически оценивал возможность практического использования тепла океана и приписал к своему докладу: "Я буду сожалеть, если эти идеи будут приняты всерьез, тем более, что сам я их так не воспринимаю".

Однако идея использования тепла без сжигания топлива все же нашла своих сторонников. В 1931 году на Кубе уже демонстрировалась первая тепловая машина, основанная на использовании тепла океана. При этом мощность установки составляла 22 кВт, что, однако, было ниже затрат на перекачку воды, т. е. установка оказалась нерентабельной. Позже, в 1934 году в Бразилии по этому же принципу была создана первая плавучая теплоэлектростанция мощностью 2 МВт, смонтированная на судне "Тунис" водоизмещением в 10 тыс. т.

Рис. 49. Схема тепловой машины Д'Арсонваля с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости

В отличие от первых опытов создания таких тепловых станций в настоящее время известна более совершенная схема с использованием не воды, а какой-либо другой рабочей жидкости, закипающей при более низкой температуре. Такой жидкостью, например, может служить аммиак, циркулирующий в замкнутой системе между двумя теплообменниками (рис. 49). В испарителе рабочая жидкость нагревается до 21°С, испаряется и приводит в движение турбину и связанный с ней генератор электрического тока; затем жидкость попадает в конденсатор, где охлаждается до 9°С, и снова поступает в испаритель и т. д. Работа теплообменников обеспечивается непрерывно прокачиваемой водой - теплой с поверхностного слоя океана (испаритель) и холодной с глубины 700 м (конденсатор).

Коэффициент полезного действия такой машины (с учетом затрат энергии на работу насосов по перекачке воды и рабочей жидкости) невелик и составляет всего 4%. Однако в условиях истощающихся и невосполняющихся запасов топлив - нефти, газа и угля - такой способ получения электрической энергии может стать более рентабельным. Естественно, что практическое использование тепловой машины Д'Арсонваля прежде всего целесообразно в районах со значительными и непрерывно пополняющимися запасами нагретой воды. А эти запасы в Мировом океане в целом весьма велики. Достаточно отметить, что площадь океана, в пределах которой поверхностный слой нагрет выше 25 °С, составляет более трети всей площади Мирового океана.

По объему воды в океанах запасы теплой воды значительно скромнее - не превышают 1,7%. Однако по абсолютной величине они весьма значительны и, самое главное, быстро восполняются. Распределение объемов океанской воды различной температуры, °С:

Таким образом, Мировой океан располагает исключительно богатыми и технически вполне доступными ресурсами тепла в виде 23 тыс. км³ нагретой воды, разлитой по поверхности океана на площади более 130 млн. км²! Такая огромная площадь распространения теплых вод делает их доступными для многих стран тропической и особенно экваториальной областей. Наиболее серьезные работы по промышленному освоению тепловой энергии океана ведут в Индии, Кот-д'Ивуаре и других странах. Сейчас разработаны проекты крупных плавучих электростанций в виде вертикальных цилиндров массой 300 тыс. т, вырабатывающих электроэнергию мощностью 160 МВт. С точки зрения влияния на окружающую среду даже длительная работа такой электростанции в одном районе может привести только к незначительному локальному понижению температуры поверхностного слоя океана, что в условиях сильных тропических течений вряд ли приведет к заметным экологическим последствиям. В нашей стране тропических морей нет. Однако и у нас может быть использована значительная разность температур морской воды и атмосферы. Особенно велика эта разность в Арктике, где она достигает 30-40 °С. Для использования этой энергии советским инженером А. К. Ильиным сконструирована АОТЭС - арктическая океанская тепловая электростанция, которая может успешно конкурировать с береговыми электростанциями, пожирающими огромное количество завозимого издалека топлива.

Общие запасы тепловой энергии Мирового океана оценивают в 10¹³ Вт.