Exploatarea energiei oceanelor

Cea mai mare parte a energiei care intră în oceanele lumii este rezultatul absorbției de către ocean a radiațiilor solare. De asemenea, energia intră în ocean ca urmare a interacțiunii gravitaționale dintre corpurile cosmice și masele de apă ale planetei, care creează maree, și a căldurii din adâncul planetei.

06.08.2019 Subiect: Energie Autor: Paxey

În acest articol:

Balanța energiei regenerabile a oceanelor

Cea mai mare parte a energiei care intră în oceane este rezultatul absorbției radiațiilor solare. De asemenea, energia pătrunde în oceane ca urmare a interacțiunii gravitaționale dintre corpurile cosmice și masele de apă ale planetei, creând maree, și a căldurii din adâncul planetei. Suprafața oceanelor lumii ocupă aproximativ 70 % din suprafața planetei și este de aproximativ 360 milioane km2 . Cea mai mare parte a acestei suprafețe este permanent lipsită de gheață și absoarbe bine radiațiile solare. În apa oceanică, aproximativ 65 % din radiația solară este absorbită de primul metru al coloanei de apă și până la 90 % de stratul de zece metri. În timpul zilei, la latitudini joase, apa se încălzește până la aproximativ 10 metri sau mai mult datorită proceselor de conducție a căldurii și amestec turbulent (suprafața solidă a uscatului se încălzește la cel mult 0,5 metri).

Căldura stocată de ocean este parțial re-radiată sub formă de radiație de undă lungă (λ >10 µm) și parțial transferată în atmosferă prin stratul limită conducător de căldură și prin evaporare. Rolul relativ al acestor procese diferă de la o regiune la alta a planetei, dar la latitudini cuprinse între 70° N și 70° S se caracterizează prin valori aproximativ identice: radiație de undă lungă către atmosferă și spațiul cosmic 41 %; transfer de căldură către atmosferă prin conducție termică 5 %; pierderi prin evaporare 54 %.

Prin mișcarea maselor de aer și de apă, energia stocată de ocean este transportată pe întreaga planetă, cu o medie de 40 % din căldura transportată de curenții oceanici între ecuator și 70° N și până la 74 % din contribuția oceanului la transportul de energie la 20° N. În fiecare an, un strat de apă de aproximativ 1 m grosime (aproximativ 340-10 12 tone) se evaporă de la suprafața oceanului, iar aproximativ 36-10 12 tone de apă se întorc prin scurgerea din râuri, ghețari etc.

Aproximativ 2/3 din totalul radiației solare suferă diferite modificări în ocean și pe suprafața terestră: este transformată în căldură 43 %; este utilizată pentru evaporare, formarea precipitațiilor 22 %; este transferată râurilor, vântului, valurilor, diferitelor tipuri de curenți din ocean 0,2 %. Aproximativ 0,02 % din energia totală a radiației solare percepute se duce la formarea produselor de fotosinteză și parțial la formarea combustibililor fosili.

Să comparăm cu această valoare fluxul total de energie care provine din interiorul Pământului și sub forma energiei mareelor. Este dificil să se distingă din aceste fluxuri pe cele care sunt direct legate doar de ocean. Pentru sectorul energetic, nu valorile absolute ale capacităților diferitelor surse sunt importante, ci doar acea parte a acestora care poate fi transformată în tipurile de energie necesare pentru activitatea economică.

Personalul de la Scripps Institution of Oceanography (SUA) a estimat capacitățile totale și reciclabile ale diferitelor surse de energie oceanică pentru cinci ani, din 1977 până în 1982. Datele sunt prezentate în diagramele din Fig. 12.1.1, cu două niveluri — total și reciclabil (umbrite). Estimările mai recente sunt realizate luând în considerare o serie de factori tehnologici și de mediu. Acestea au fost în general mai scăzute în ceea ce privește utilizarea energiei admisibile.

Atunci când se evaluează posibilitățile de producere a energiei din maree, se ia în considerare faptul că PES poate funcționa la capacitate maximă doar 30 % din timp. Datele privind curenții oceanici sunt obținute luând în considerare 1 % din încetinirea admisibilă a vitezei curenților. La evaluarea posibilităților de utilizare energetică a produselor fotosintezei oceanice, s-a luat în considerare o eficiență de 50 % a conversiei algelor brune în metan și posibilitatea amplasării fermelor corespunzătoare în 20 % din zonele naturale de upwelling. Upwelling-ul este creșterea apelor de adâncime bogate în nutrienți care acționează ca îngrășăminte. Generatoarele de valuri de coastă trebuie să aibă o eficiență de 50 % și un timp de funcționare de 40 % din bugetul anual de timp. Eficiența de conversie a gradientului de salinitate se presupune a fi de 3 %, iar cea a gradientului de temperatură de 5 %; în acest din urmă caz, se consideră fezabilă amplasarea convertoarelor pe 2 % din suprafața oceanului în zona tropicală. Pentru fermele eoliene, se presupune că eficiența conversiei energiei eoliene este de 60 %, iar 1 % din vânturile din larg este considerat a fi un nivel acceptabil de eliminare a puterii.

Proprietățile „tehnologice” ale resurselor energetice oceanice, cum ar fi densitatea energetică și stabilitatea sursei de energie, sunt, de asemenea, importante. Aceste proprietăți determină dimensiunea convertoarelor viitoare, capacitatea instalată necesară și modurile de utilizare a energiei.

Energia curenților și a valurilor

Energia tuturor curenților și circulațiilor staționare din oceanele lumii este de aproximativ 10 19 J/an. Curenții oceanici cei mai puternici sunt o sursă potențială de energie. Nivelul modern al tehnologiei permite extragerea energiei curenților la viteze de curgere de peste 1 m/s. Puterea de la 1 m 2 din secțiunea transversală a curentului este de aproximativ 1 kW. Utilizarea unor curenți puternici precum Gulf Stream și Kuroshio, care transportă 83 și, respectiv, 55 milioane m 3 /s de apă cu o viteză de până la 2 m/s, și curentul Florida (30 milioane m 3 /s, viteză de până la 1,8 m/s) pare promițătoare.

Grosimea W transportată de curent este determinată de viteza sa u și de aria secțiunii transversale S:

Această putere nu este foarte concentrată în comparație cu puterea surselor de energie oceanică luate în considerare mai sus. De exemplu, în cazul curentului Kuroshio, cu o viteză caracteristică a curentului de aproximativ 1 m/s, o dimensiune verticală a curentului de aproximativ 100 m și o dimensiune orizontală de 10 km, puterea nu depășește 1,0 GW. Este necesar să se ia în considerare coeficientul de eficiență al mijloacelor tehnice de conversie a energiei χ, care este întotdeauna mai mic decât unitatea.

Curenții din strâmtorile Gibraltar, La Manche și Kuril sunt de interes pentru energia oceanică. Cu toate acestea, crearea de centrale oceanice pe baza energiei curenților este încă legată de o serie de dificultăți tehnice, în primul rând, de crearea de centrale de dimensiuni mari care reprezintă o amenințare pentru navigație. În plus, în stadiul actual, astfel de centrale nu vor putea concura în ceea ce privește eficiența cu sistemele de conversie a energiei termice oceanice.

Utilizarea energiei valurilor de suprafață din ocean prezintă un anumit interes. Puterea totală a tuturor valurilor de suprafață din oceanul mondial este de aproximativ 2,7-10 12 W, ceea ce corespunde unei energii totale de aproximativ 10 20 J/an. Aceasta este o valoare destul de mare, dar utilizarea acestei energii este împiedicată de densitatea scăzută a suprafeței.

Stațiile de energie a valurilor se bazează pe impactul valurilor asupra corpurilor de lucru sub formă de flotoare, penduluri, palete, scoici etc. Energia mecanică a mișcărilor acestora este transformată în energie electrică cu ajutorul generatoarelor electrice.

Datorită densității scăzute a energiei valurilor, aceasta este utilizată în principal pentru alimentarea consumatorilor de mică putere cu utilizare pe termen lung, cum ar fi balize autonome de suprafață, faruri, instrumente științifice etc.

În plus, stațiile de valuri mari pot fi utilizate pentru protecția împotriva valurilor a platformelor de foraj marin, a raidurilor deschise, a fermelor de maricultură. Utilizarea industrială a energiei valurilor a început. Deja aproximativ 400 de faruri și geamanduri de navigație din lume sunt alimentate de instalații cu valuri. În India, farul plutitor din portul Madras este alimentat de energia valurilor. În Norvegia, prima stație valurilor industrială din lume, cu o capacitate de 850 kW, funcționează din 1985.

În prezent, în Marea Britanie, Franța și Japonia se desfășoară activități de cercetare și dezvoltare a sistemelor de conversie a energiei valurilor la suprafața oceanului.

În convertoarele de energie a valurilor se disting de obicei două circuite: primul percepe efectul valurilor și transformă energia acestora în energie potențială sau cinetică a corpului de lucru (cel mai adesea lichid sau gazos); al doilea circuit transformă energia corpului de lucru în electricitate (de obicei prin intermediul turbinelor).

Centralele electrice bazate pe energia valurilor (WEPP) se deosebesc de cele convenționale în principal prin proiectarea primului circuit. Din acest punct de vedere, se pot distinge două grupe de WPP:

1. instalații în care valurile acționează direct asupra corpului de lucru al HPS;
2. instalații în care acțiunea valurilor este transmisă printr-o legătură intermediară care, folosind proprietatea unei pârghii, comprimă corpul de lucru al HPPP.

Primul circuit al HPPP-urilor promițătoare din primul tip („coloană de apă oscilantă” (OWS), „Kimei”, „redresor” Russell) este simplu în proiectare și ieftin, dar are o eficiență scăzută. Presiunea variabilă și scăzută a corpului de lucru la ieșire (suprapresiunea nu poate fi mai mare decât înălțimea coloanei de apă în creastă) și, în consecință, imposibilitatea de a combina mai multe dispozitive ale primului circuit pentru a trece la un singur convertor al celui de-al doilea circuit conduc la pierderi mari de energie în acesta și la o calitate scăzută a energiei electrice generate.

HEPP de tipul al doilea („diving duck” a lui Salter, „contour raft” a lui Kokkerel etc.) sunt structuri voluminoase și complexe cu o eficiență ridicată a conversiei energiei valurilor și o presiune relativ ridicată a corpului de lucru la ieșire, ceea ce permite combinarea mai multor dispozitive ale primului circuit pentru a comuta la un convertor secundar. Ca urmare, pierderile de energie în al doilea circuit și costul său specific sunt reduse.

Stațiile cu soluție de proiectare de tip OVS (Fig.6.6a) sunt în prezent singurele utilizate în practică. Prețul energiei electrice produse la o astfel de centrală rămâne ridicat din cauza randamentului scăzut (0,17-0,23). Eficiența scăzută se datorează faptului că turbina funcționează la un potențial scăzut și cu un debit de aer variabil în mărime și direcție.

Proiectul de tip „diving duck” (Fig.6.6b) îndeplinește aproape toate cerințele pentru VLES și are un randament foarte ridicat (până la 0,9), dar are probleme pe calea aplicării practice. Prezența nodurilor de frecare în conexiunile „ciocurilor” cu arborele centralei și a sistemelor cu piston de comprimare a corpului de lucru lichid al hidrogeneratorului, precum și un arbore lung care unește o mulțime de „ciocuri” și care lucrează la fractură, reduce fiabilitatea și durabilitatea centralei.

Crearea centralelor pe valuri este determinată de alegerea optimă a zonei de apă oceanică cu rezervă stabilă de energie a valurilor, de proiectarea eficientă a centralei, în care sunt încorporate dispozitivele pentru atenuarea regimului neuniform al valurilor. Experiența exploatării centralelor existente a arătat că energia electrică produsă de acestea este încă de 2-3 ori mai scumpă decât cea tradițională, dar în viitor se așteaptă o reducere semnificativă a costului acesteia.

Utilizarea practică a energiei valurilor de suprafață este posibilă în multe zone ale Oceanului Mondial. Pentru țara noastră, cele mai interesante sunt zonele din nord-vestul Oceanului Pacific, unde perturbările meteorologice semnificative provoacă valuri de suprafață sistematice.

Convertoare de energie a valurilor

Convertoare care urmăresc profilul valurilor

În această clasă de convertoare, să ne concentrăm în primul rând asupra dezvoltării profesorului Stefan Salter de la Universitatea din Edinburgh, numit după creatorul „raței Salter”. Denumirea tehnică pentru un astfel de traductor este o aripă oscilantă. Forma transductorului maximizează extragerea puterii (figura 12.3.1.1.1).

Undele provenind din partea stângă determină oscilația raței. Forma cilindrică a suprafeței opuse asigură că nicio undă nu se propagă spre dreapta pe măsură ce rața oscilează în jurul axei. Puterea poate fi îndepărtată de pe axa sistemului oscilant în așa fel încât să se asigure un minim de reflectare a energiei. Reflectând și trecând numai o mică parte din energia undelor (aproximativ 5 %), acest dispozitiv are un randament de conversie foarte ridicat pe o gamă largă de frecvențe ale oscilațiilor de excitație (fig. 12.3.1.2).

Inițial, Salter a creat o machetă a unui dispozitiv cu frecvență în bandă destul de îngustă. Într-o piscină cu valuri, acesta a absorbit până la 90 % din energia incidentă. Primele teste în condiții apropiate de mare au fost efectuate în mai 1977 în Loch Ness. O ghirlandă de „rațe” de 50 de metri lungime și 20 de metri lungime cu o masă totală de 16 tone a fost lansată și testată timp de 4 luni în diferite condiții de val. În luna decembrie a aceluiași an, această 1/10 din dimensiunea viitoare a convertorului oceanic a fost relansată și a dat primul curent. Pe parcursul a 3 luni ale uneia dintre cele mai aspre perioade de iarnă, modelul primei centrale engleze de energie a valurilor a funcționat cu un randament de aproximativ 50 %.

Dezvoltările ulterioare ale Salter vizează să se asigure că rața este capabilă să reziste la impactul valurilor maxime și să creeze un lanț de convertoare ancorate sub forma unei linii suficient de flexibile. Se preconizează că dimensiunea caracteristică a unei rațe reale va fi de aproximativ 0,1λ , ceea ce, pentru valurile de 100 de metri din Atlantic, corespunde la 10 metri. Se presupune că un șir de pene de rață cu o lungime de câțiva kilometri va fi instalat în zona cu cele mai intense valuri la vest de Hebride. Puterea de ieșire a întregii stații va fi de aproximativ 100 MW.

Cele mai serioase dezavantaje pentru Rațele lui Salter s-au dovedit a fi următoarele:

• necesitatea de a transmite mișcarea oscilatorie lentă către acționarea generatorului;
• necesitatea de a elimina energia de la un dispozitiv de mare distanță care plutește la o adâncime considerabilă
• datorită sensibilității ridicate a sistemului la direcția valurilor, necesitatea de a monitoriza schimbările de direcție ale acestora pentru a obține o eficiență ridicată a conversiei;
• dificultăți în asamblare și instalare din cauza complexității formei de suprafață a „raței”.

O altă variantă a convertorului de valuri cu un element oscilant este pluta cu contur Cockerell. Modelul său la scara 1/10 a fost, de asemenea, testat în același an ca și rața lui Salter în strâmtoarea Solent, lângă Southampton. Pluta de contur este un sistem multi-link de secțiuni articulate (figura 12.3.1.3). La fel ca țesătura, aceasta este poziționată perpendicular pe frontul valurilor și urmărește profilul valurilor.

Teste detaliate de laborator efectuate pe un model la scara 1/100 al plutei au arătat că eficiența acesteia este de aproximativ 45%. Aceasta este mai mică decât „rața” lui Salter (dar pluta mai are un farmec: apropierea designului de construcția tradițională de nave). Fabricarea acestor plute nu ar necesita crearea de noi unități industriale și ar crește numărul de locuri de muncă în industria construcțiilor navale.

Traductoare care utilizează energia unei coloane de apă care oscilează

Atunci când un val lovește o cavitate parțial scufundată, deschisă sub apă, coloana de lichid din cavitate oscilează, provocând schimbări de presiune în gazul de deasupra lichidului. Cavitatea poate fi conectată la atmosferă prin intermediul unei turbine. Fluxul poate fi controlat astfel încât să treacă prin turbină într-o singură direcție sau poate fi utilizată o turbină Welsh. Sunt deja cunoscute cel puțin două exemple de utilizare comercială a dispozitivelor bazate pe acest principiu — balizele de semnalizare introduse în Japonia de Masuda (figura 12.3.2.1) și în Regatul Unit de personalul de la Universitatea Queen’s din Belfast. Un dispozitiv mai mare și primul conectat la rețea a fost construit în Toftestollen (Norvegia) de către Kvaernor Brug A/S. Principiul de bază al polului oscilant este prezentat în figura 12.3.2.2.2. În Toftestollen, acesta este utilizat într-o instalație de 500 kW construită pe marginea unei stânci abrupte. În plus, National Electrical Laboratory (NEL) din Regatul Unit oferă o structură montată direct pe fundul mării.

Principalul avantaj al dispozitivelor bazate pe principiul coloanei de oscilație a apei este că viteza aerului în amonte de turbină poate fi mărită semnificativ prin reducerea secțiunii transversale a canalului. Acest lucru face posibilă combinarea mișcării lente a valurilor cu rotația de înaltă frecvență a turbinei. În plus, aici se creează o oportunitate de a îndepărta dispozitivul de generare din zona de expunere directă la apa de mare sărată.

Dispozitive subacvatice

Avantajele dispozitivelor subacvatice constau în faptul că aceste dispozitive evită deteriorarea convertoarelor din cauza furtunilor. Cu toate acestea, atunci când sunt utilizate, dificultățile asociate cu extragerea și întreținerea energiei sunt sporite.

Ca exemplu, să luăm convertorul de tip cilindru Bristol, care aparține grupului de dispozitive care funcționează sub efectul capului de viteză într-un val. Un corp plutitor umplut cu aer (cilindru), având o densitate medie de 0,6-0,8 t/m 3 , este fixat sub apă pe suporturi montate pe sol. Cilindrul oscilează în val, deplasându-se de-a lungul unei traiectorii eliptice și acționând pompe hidraulice montate în suporturi, care transformă energia mișcării cilindrului. Fluidul pompat de acestea poate fi alimentat prin conducte către o stație generatoare, care este unificată pentru mai mulți cilindri.

Un avantaj al ideii „cilindrului Bristol” este că, odată ce este acordat la frecvența optimă, acesta nu reflectă energia de la alte frecvențe, ci îi permite să se propage mai departe, unde poate fi absorbită de alți transductori, cum ar fi cilindrii cu o frecvență diferită.

Principiile de bază ale conversiei energiei undelor

Din valurile mării se pot obține cantități uriașe de energie. Puterea transmisă de valuri în apele adânci este proporțională cu pătratul amplitudinii și perioadei lor. Prin urmare, valurile cu perioadă lungă (T ≈ 10 s) și amplitudine mare (a ≈ 2 m) prezintă cel mai mare interes, permițând extragerea unei medii de 50 până la 70 kW/m dintr-o unitate de lungime de creastă.

Cel mai mare număr de dispozitive pentru energia valurilor sunt în curs de dezvoltare pentru a extrage energie din valurile din apele adânci. Acesta este cel mai general tip de valuri, care există în condițiile în care adâncimea medie a mării D depășește valoarea a jumătate din lungimea de undă λ / 2.

Undele de suprafață din apele adânci au următoarele trăsături caracteristice principale:

• undele sunt sinusoidale indestructibile, cu lungime, fază și direcție de sosire neregulate;
• mișcarea fiecărei particule de fluid din undă este circulară (în timp ce conturul schimbător al undei indică propagarea mișcării undei, particulele în sine nu sunt asociate cu această mișcare și nu se deplasează în direcția ei);
• amplitudinea mișcării particulelor de fluid scade exponențial cu adâncimea.
• Este esențial ca amplitudinea unui val a să nu depindă de lungimea sa λ, de viteza de propagare c, de perioada T, ci să depindă numai de natura interacțiunii anterioare a vântului cu suprafața mării.

În valurile din apele adânci, nu există mișcare înainte a fluidului. În stratul subteran al fluidului, particulele acestuia efectuează o mișcare circulară cu o rază orbitală a egală cu amplitudinea undei (fig. 12.2.1). Înălțimea undei H de la vârful crestei până la bază este egală cu amplitudinea sa dublată (H = 2a). Viteza unghiulară a particulelor ω este măsurată în radiani pe secundă. Modificarea formei suprafeței undelor este de așa natură încât se observă o mișcare de translație, deși apa în sine nu se mișcă în direcția de propagare a undelor (de la stânga la dreapta). Această mișcare aparentă este rezultatul observării fazelor de deplasare a particulelor succesive de fluid; pe măsură ce o particulă din creastă se scufundă, alta îi ia locul, asigurând menținerea formei cretei și propagarea mișcării undei înainte.

O relație care stabilește relația dintre frecvență și lungime pentru un val de suprafață în ape adânci

Perioada de mișcare a valurilorViteza unei particule de fluid la creasta unei unde Viteza suprafeței undei în direcția x este definită ca

Viteza c se numește viteza de fază de propagare a undelor create la suprafața lichidului. Această valoare este independentă de amplitudinea undei și este implicit legată de viteza particulelor de lichid din undă.

Energia cinetică totală pe unitatea de lățime a frontului de undă și pe unitatea de lungime de-a lungul direcției de propagare a undei este egală cu

Energia potențială normalizată a undei este egală cu exact aceeași valoare

Energia totală pe unitatea de suprafață a undei este egală cu suma energiilor cinetică și potențială.

Expresia pentru energia pe unitatea de lățime a frontului de undă și pe unitatea de lungime de undă de-a lungul direcției de propagare se scrie ca

Să înlocuim λ din (12.2.1) luând în considerare (12.2.2)

Expresia pentru puterea transportată în direcția de propagare a undei pe unitatea de lățime a frontului de undă are forma

Ținând seama de (12.2.7) și (12.2.11), puterea P′ este egală cu energia totală (cinetică + potențială) E din val pe unitatea de suprafață înmulțită cu valoarea u = c/2 viteza de grup a valurilor în apele adânci, cu care valurile transportă energia. Dată fiind expresia pentru viteza de grup

Distincția dintre viteza de grup și viteza de undă (de fază) este comună pentru orice proces ondulatoriu pentru care viteza de fază depinde de lungimea de undă (dispersie).

Înlocuind în (12.2.11) viteza de fază sub forma (12.2.4), se obține relația

În consecință, puterea transportată de unde crește direct proporțional cu pătratul amplitudinii și al perioadei. Acesta este motivul pentru care valurile cu perioadă lungă și amplitudine semnificativă sunt deosebit de atractive pentru specialiștii în energie oceanică.

În practică, valurile se dovedesc a nu fi atât de sinusoidale idealizate cum se sugerează mai sus. Pe mare se observă frecvent valuri neregulate cu frecvență, direcție și amplitudine variabile. Deoarece valurile rezultate nu pot fi reprezentate de cele mai multe ori prin suma valurilor care acționează în aceeași direcție, puterea extrasă de convertoarele direcționale va fi mult mai mică decât cea transportată de valuri.

Utilizarea energiei mareelor și a curenților marini

Informații generale privind utilizarea energiei mareelor

Fluctuațiile nivelului mareelor în vastele oceane ale planetei sunt destul de previzibile. Perioadele principale ale acestor fluctuații sunt perioade zilnice de aproximativ 24 h și perioade semi-diurne de aproximativ 12 h 25 min. Diferența de nivel dintre cele mai ridicate și cele mai scăzute niveluri succesive ale apei este înălțimea mareei R. Intervalul de variație al acestei valori este de 0,5-10 m. Prima cifră este cea mai caracteristică, a doua este atinsă și chiar depășită doar în unele locuri speciale din apropierea coastelor continentelor. În timpul mareelor mari, mișcarea maselor de apă formează curenții de maree, a căror viteză în strâmtorile de coastă și între insule poate ajunge la aproximativ 5 metri pe secundă.

Apa care se ridică la înălțimea maximă în timpul mareei mari poate fi separată de mare printr-un dig sau un baraj într-un bazin din zona A. Locurile cu înălțimi mari ale mareelor au un potențial ridicat de energie mareică. Cu toate acestea, acesta nu este singurul factor important pentru dezvoltarea energiei mareomotrice: trebuie luate în considerare și costurile de capital și profiturile viitoare ale centralelor electrice mareomotrice (TPP).

Energia curenților de maree poate fi convertită într-un mod similar cu energia eoliană. Conversia energiei mareelor a fost utilizată pentru a alimenta dispozitive la scară relativ mică încă din Anglia medievală și China. Dintre AES moderne, cele mai cunoscute sunt centrala Rance de 240 MW situată în estuarul râului La Rance, care se varsă în Golful Saint Malo (Bretania, Franța), și o mică centrală pilot de 400 kW în Golful Kislaya de pe coasta Mării Barents (Rusia). Printre siturile care au atras mult timp atenția dezvoltatorilor de hidrocentrale se numără estuarul Severn din Regatul Unit și Golful Fundy de pe coasta de est a Americii de Nord, la granița SUA/Canada. Caracteristicile potențialelor situri PES din Rusia sunt rezumate în tabelul 13.1.1.

Înălțimea, cursul și periodicitatea mareelor în majoritatea zonelor de coastă sunt bine descrise și analizate datorită nevoilor de navigație și oceanografie. Comportamentul mareelor poate fi prezis destul de precis, cu o eroare mai mică de 4%. Astfel, energia mareelor se dovedește a fi o formă foarte fiabilă de energie regenerabilă.

Există însă unele inconveniente în conversia sa:

• Principalele perioade de maree (12 h 25 min și 24 h 50 min) asociate cu mișcarea Lunii nu coincid cu perioada obișnuită a zilei solare umane (24 h), astfel încât generarea optimă de maree este defazată față de cererea de energie;
• modificări ale înălțimii mareelor și ale puterii curenților de maree pe o perioadă de două săptămâni, ceea ce duce la fluctuații ale producției de energie;
• necesitatea de a crea fluxuri de apă cu un debit mare la o diferență de înălțime relativ mică, ceea ce impune utilizarea unui număr mare de turbine care funcționează în paralel;
• costuri de capital foarte ridicate pentru construirea majorității PSE propuse;
• perturbarea potențială a mediului și modificarea regimurilor zonelor estuariene și marine.

Puterea curenților de maree și a refluxului de maree

În apropierea coastei și între insule, mareele pot produce curenți suficient de puternici pentru conversia energiei. Dispozitivele de conversie a energiei curenților de maree vor fi practic similare cu cele acționate de curenții fluviali.

Relațiile de estimare a puterii curenților de maree sunt similare cu cele utilizate pentru energia eoliană, ținând cont de faptul că apa este de multe ori mai densă decât aerul, iar vitezele apei sunt relativ scăzute.

Densitatea de putere a fluxului de apă, W/m 2 , este egală cu

În cazul unui flux de maree sau fluvial cu o viteză de, de exemplu, 3 m/s

Numai o fracțiune din energia totală a fluxului poate fi transformată în energie utilă. În ceea ce privește vântul, această valoare a lui η nu poate depăși 60 %. În practică, se pare că η poate fi adus la un maxim de 40 %.

Vitezele curentului de maree variază în timp aproximativ după cum urmează: τ este perioada de maree naturală, 12 h 25 min pentru o maree semidiurnă; V₀ — este viteza maximă a curentului, m/s.

Astfel, energia electrică eliminată din 1 m 2 din secțiunea transversală a curentului (ținând seama de randamentul de 40% al conversiei energiei curentului în energie electrică) este, în medie, egală cu

La o viteză maximă de aproximativ 5 m/s întâlnită în strâmtorile dintre insule, q ≈14kW/m 2 . Acoperind o suprafață de 1000 m 2 , se poate obține o capacitate medie totală a centralei electrice de aproximativ 14 MW.

O serie de dispozitive moderne au fost deja dezvoltate pentru a converti energia din curenții de maree, dintre care unul este prezentat în Fig. 13.2.1. Costul de capital pentru crearea unor astfel de dispozitive pentru 1 kW de capacitate instalată este destul de ridicat, astfel încât construirea lor este recomandată numai în zonele îndepărtate cu viteze mari ale curenților de maree, unde orice surse alternative de energie sunt și mai scumpe.

Principiile de bază ale teoriei energiei mareelor sunt destul de simple. Să presupunem că un bazin PES este umplut la ape mari și golit prin turbine la ape mici (fig. 13.2.2). Să presupunem că bazinul are o suprafață constantă A care rămâne acoperită cu apă la nivelul apei scăzute. Să presupunem că apa care intră în bazin are masa ρAR concentrată în centrul de greutate la înălțimea R/2 de la nivelul apei scăzute și că toată apa iese din bazin la apa scăzută. Potențial, energia maximă a mareei poate fi obținută dacă toată apa cade de la înălțimea R/2. În acest caz, energia mareei

Dacă energia este convertită pe durata perioadei de maree, puterea potențială medie pe durata perioadei de maree se dovedește a fi

În practică, într-un sistem care utilizează declanșarea stocării apei din bazinul mareic, deși eficiența conversiei este destul de ridicată, nu este posibil să se obțină capacitatea maximă. Următoarele circumstanțe împiedică acest lucru.

Generarea de energie nu poate fi asigurată până la condiții de apă scăzută, astfel încât o parte din energia potențială a mareelor nu poate fi convertită.

Turbinele PES trebuie să funcționeze la înălțimi mici și debite mari — condiții neobișnuite pentru practica hidroenergetică convențională existentă.

Nu este posibilă furnizarea uniformă de energie către consumatori din cauza modificărilor nivelului apei din bazin.

Figura 13.2.2 arată că o PES poate funcționa atât atunci când bazinul este gol, cât și atunci când este plin. O instalație optimă care utilizează unități hidroelectrice reversibile, care pot fi utilizate și în modul de pompare pentru a ridica nivelul bazinului, poate recicla până la 90 % din energia potențială a mareelor.

Exploatarea energiei curenților oceanici

Puterea mecanică care poate fi extrasă din curenții oceanici este determinată de aceeași relație care este utilizată pentru a estima această valoare în cazul energiei eoliene:

Coeficientul de conversie a energiei, care depinde de tipul de turbină, poate fi presupus a fi de 0,6 pentru un rotor care se rotește liber și de 0,75 pentru același rotor într-o duză pentru calcule aproximative. Construcția de turbine eoliene mari (cu un diametru de până la 200 m) este practic imposibilă din cauza limitărilor asociate cu rezistența materialelor și caracteristicile de masă ale acestor dispozitive. Pentru turbinele care funcționează în mediul marin, limitările de masă sunt mai puțin semnificative datorită forței lui Arhimede care acționează asupra elementelor structurale. Densitatea crescută a apei permite, în plus, reducerea impactului vibrațiilor care cauzează cedarea prin oboseală a materialelor, care este atât de semnificativă pentru turbinele cu aer.

Un avantaj important al curenților oceanici ca surse de energie în comparație cu curenții eolieni este absența schimbărilor bruște de viteză (a se compara cu schimbările de viteză în timpul rafalelor de vânt, uraganelor etc.). Atunci când sunt suficient de îngropate în coloana de apă, turbinele OHES sunt protejate în mod fiabil de valurile și furtunile de la suprafață. Pentru utilizarea eficientă a curenților în ingineria energetică, este necesar ca aceștia să aibă anumite caracteristici. În special, sunt necesare viteze de curgere suficient de mari, stabilitate în ceea ce privește viteza și direcția, precum și o geografie a fundului și a coastei convenabilă pentru construcție și întreținere. Îndepărtarea de coastă face mai costisitoare transportul energiei și întreținerea acestor stații, precum și a oricăror altele. Adâncimile mari necesită costuri mai mari pentru construcția și întreținerea sistemelor de ancorare, iar adâncimile mici creează obstacole pentru navigație. Factorii geografici sunt cei care nu ne permit acum să vorbim despre construcția de WGES în largul oceanului, unde curenții cei mai puternici își transportă apele. La adâncimi medii și mici, în special în locurile în care se formează curenții de maree, topografia fundului joacă un rol important.

Dezavantajele convertoarelor de energie din curenții oceanici includ necesitatea de a construi și de a întreține structuri uriașe în apa de mare, susceptibilitatea acestor structuri la murdărire și coroziune, precum și dificultățile de transmitere a energiei.

Caracterizarea generală a soluțiilor tehnice

Prin analogie cu turbinele eoliene, convertoarele de energie electrică existente pot fi împărțite condiționat în două grupuri. La primul grup este rezonabil să se refere cele dintre ele, care se bazează pe principiul conversiei capului de viteză în mișcarea de rotație a turbinelor. Al doilea grup, mai puțin numeros, include convertoarele bazate pe alte principii fizice (pompe volumetrice, convertoare elastice etc.).

Pentru a caracteriza schemele de instalare a transductorilor, se pot distinge două scheme principale — structuri fixate pe fundul mării și structuri care plutesc în coloana de apă și sunt ancorate pe fundul mării.

Roata de apă (Fig. 13.4.1, a) este considerată a fi strămoșul primului grup de dispozitive. Există două tendințe principale în îmbunătățirea roții de apă. Una este îmbunătățirea efectivă a performanțelor roții (prin optimizarea designului fermei, a paletelor, a mecanismelor de transfer al energiei, a amplasării în raport cu fluxul, aplicarea materialelor moderne etc.), cealaltă este o schimbare fundamentală a ideilor despre roată.

Roata cu panglică (fig. 13.4.1, b) se dovedește a fi mai compactă, necesită mai puține materiale și este mai puțin expusă la atmosferă. Un astfel de dispozitiv poate fi instalat în curent pe pontoane, astfel încât lamele inferioare să intre în apă, iar lamele superioare să rămână „uscate”. Eficiența conversiei capului de viteză este crescută prin expunerea simultană a mai multor palete la flux. Cu toate acestea, simpla creștere a numărului de palete ale rotorului nu va crește semnificativ cuplul pe arbori.

Pe baza roții cu curea, au fost create dispozitive complet imersate în coloana de curgere (fig. 13.4.1, c, d). Pentru astfel de dispozitive sunt propuse mai multe modalități de reducere a rezistenței la mișcarea curelei în timpul mersului în gol. Acestea includ construirea unei camere de aer deasupra roții și aplicarea diferitelor variante de mecanisme de pliere a lamei.

Cele mai mari speranțe ale inginerilor hidroenergetici implicați în dezvoltarea convertoarelor de energie pentru curenții oceanici sunt asociate cu unități cu ajutorul cărora se pot obține capacități unitare semnificative. Rotorul sub forma unei elice libere, o elice într-o duză, un analog pe apă al unei turbine Darier și sistemele cu o aripă dirijabilă sunt considerate variante ale acestor dispozitive (fig. 13.4.2, a-c). În toate aceste modele, precum și în turbinele eoliene promițătoare, principalul element transformator este profilul aripii, a cărei curgere de către flux creează o forță hidrodinamică care face turbinele să se rotească.

Cea mai bună performanță este obținută de o turbină proiectată ca o roată cu ax orizontal în duză. Acest lucru se explică prin faptul că o astfel de turbină perturbă mai puțin fluxul, nu la fel de mult ca o turbină liberă, care implică lichidul în mișcare de rotație. Duza parcă separă partea perturbată a fluxului de partea neperturbată și, în același timp, asigură o anumită concentrare a energiei. Forma duzei este aleasă astfel încât să asigure un flux neted și neîntrerupt al fluxului la apropierea de turbină, să facă întregul sistem stabil pe flux și să reducă la minimum vârtejul fluxului la ieșirea din turbină.

Creșterea puterii unei astfel de unități poate fi realizată prin extinderea aripii. În comparație cu convertizoarele eoliene, turbinele oceanice au un avantaj în această privință: dimensiunea critică a aripii, la care aceasta atinge limita rezistenței materialelor pentru o astfel de turbină, este mai mare. Dar și în apă există limitări: dacă lungimea aripii este prea mare, momentele de încovoiere create de gravitație sunt înlocuite de momente create de forța de presiune a fluxului.

O altă limitare a diametrului rotorului este legată de dificultățile tehnologice în construirea și instalarea unor astfel de structuri voluminoase în ocean. Specialiștii sunt de acord că este puțin probabil ca diametrul turbinelor din duze să depășească 200 de metri (din punct de vedere al dimensiunilor, o astfel de structură seamănă cu un stadion acoperit pentru 20 000 de spectatori). Experiența acumulată până în prezent în construcția de platforme de producție pentru producția de petrol și bazine cu deplasări de sute de mii de tone arată că astfel de instalații pot fi create.

Să luăm în considerare convertoarele de energie de curgere aparținând celei de-a doua grupe conform clasificării noastre și, în primul rând, dispozitivele de tip pompă volumetrică. Fig. 13.2.3 prezintă una dintre schemele unui astfel de dispozitiv, care se bazează pe o duză Venturi fixată în flux. În secțiunea comprimată a duzei, datorită creșterii vitezei lichidului, există o scădere a presiunii statice, care poate fi utilizată, de exemplu, pentru a aspira aer de la suprafață. În secțiunea de ieșire, aerul deja comprimat este forțat să iasă din flux în camera de presiune, de unde curge în conducta turbinei conectate la generatorul electric. La grade moderate de comprimare a debitului, funcționarea unui astfel de dispozitiv poate fi descrisă cu ajutorul ecuației Bernoulli. În acest caz, căderea de presiune care este creată de pompă,

unde A₁/А₂— raportul dintre suprafețele secțiunilor de admisie și minimă ale confuzorului.

Performanțele unei astfel de pompe depind de debitul de lichid prin secțiunea transversală a pompei și pot fi aduse până la aproximativ 20 % din debitul volumetric. Proprietățile inducției depind puternic de modul în care gazul aspirat este introdus în flux.

Lista diferitelor variante de convertoare poate fi continuată, dar este important de remarcat că, cu timpul, pot fi descoperite atât modalități mai eficiente de conversie a energiei fluxurilor din ocean, cât și noi fenomene hidrodinamice care vor necesita dezvoltări fundamental noi. Deja acum putem acorda atenție energiei contracurenților oceanici ascunși de coloana de apă de suprafață și adesea separați de apa de suprafață doar prin straturi limită suficient de subțiri; energiei diferitelor vârtejuri care apar în largul oceanului sub influența perturbărilor meteorologice și instabilității hidrodinamice la scară largă în oceane. Sunt cunoscute chiar și vortexuri permanente. Unul dintre acestea este situat la 400 de kilometri de Ogasawara (Japonia), în Oceanul Pacific. Este un vortex cu un diametru de aproximativ 200 de kilometri, care se ridică de la o adâncime de 3 kilometri aproape până la suprafață. Una dintre particularitățile vortexului este remarcabilă — aproximativ la fiecare 100 de zile își schimbă direcția de rotație în sens invers. Potrivit oamenilor de știință japonezi, caracteristicile energetice specifice ale acestui vârtej sunt mult mai mari decât cele ale unui număr de curenți oceanici.

Centralele electrice mareomotrice

O centrală electrică maremotrică (TPS) este construită pe coasta mărilor și oceanelor cu fluctuații semnificative ale nivelului apei cauzate de maree. În acest scop, un golf natural este separat de mare printr-un baraj și prin construirea TPS. La maree mare, nivelul mării va fi mai mare decât nivelul apei din golful separat, iar la maree joasă, dimpotrivă, mai mic decât nivelul apei din golf. Diferențele dintre aceste niveluri creează o înălțime care este utilizată pentru acționarea hidroturbinelor din SPE.

Cauza fluctuațiilor nivelului apei și a curenților de maree este interacțiunea gravitațională a Pământului cu Luna și Soarele. Magnitudinea mareelor variază de la un loc la altul. În Golful Bristol (Anglia) înălțimea valurilor de maree atinge 14 metri, în Marea Okhotsk în Golful Penzhinsky — aproximativ 13 metri, în Golful Tugursky — aproximativ 7 metri, în Marea Albă în Golful Mezensky — aproximativ 9 metri. Cele mai mari maree sunt observate în Golful Fundy (Canada) și ajung la 19,6 m.

Pentru funcționarea eficientă a PES, este necesară o anumită diferență de nivel al apei la maree mare și maree joasă (nu mai puțin de 4 m), prin urmare nu există multe locuri în lume unde pot fi construite astfel de stații.

La începutul secolului XXI, în lume funcționau doar 10 PES, cu o capacitate totală de aproximativ 270 MW. Cel mai mare PES, cu o capacitate de 240 MW, a fost construit în 1967 în Franța, la gura de vărsare a râului Rance (figurile 6.4 și 6.5). Acesta generează 540 milioane kWh de energie electrică pe an. Costul de construcție este de 2,5 ori mai mare decât costul unei hidrocentrale convenționale de aceeași capacitate. Centrala hidroelectrică Annapolis din Canada are o capacitate de 20 MW.

În 1968, în Rusia, a fost construită și este în funcțiune hidrocentrala Kislogubskaya HPP, cu o capacitate de 0,4 MW, în Golful Kislaya, pe coasta Peninsulei Kola, la 60 de kilometri vest de Murmansk. Această centrală a fost construită ca centrală pilot pentru a testa tehnologia de creare a structurilor plutitoare, care au fost fabricate într-un doc de construcție și apoi transportate cu remorchere la locurile de instalare din cadrul amplasamentului centralei.

Celelalte 7 FPP au fost construite în China. Prima PES pilot a fost pusă în funcțiune în China în 1959 pe coasta Mării Chinei de Sud cu o capacitate de 40 kW, care a fost ulterior mărită la 200 kW. În 1983, pe coasta Mării Chinei de Est a fost pusă în funcțiune PES Jiangxi cu un singur bazin cu dublu efect, cu o unitate hidroelectrică de 500 kW. Capacitatea totală a PES din China este de 10 MW.

În India se construiește un PES de 5 MW în portul Anchor. Particularitatea sa este utilizarea turbinelor cu aer: la maree mare, aerul este comprimat de apă în rezervoare speciale, la maree joasă există o mișcare inversă a aerului prin turbină și umplerea cu acesta a volumului gol al rezervoarelor.

Fezabilitatea creării centralelor pe valuri este determinată de particularitățile regionale și, în primul rând, de densitatea energiei primite — valoarea acesteia pe unitatea de lungime a frontului de val.

Puterea hidrodinamică a mareelor este determinată de formula

unde ρ este densitatea apei, kg/m 3 ; g este accelerația gravitației, m/s 2 ; A este înălțimea valului de maree, m; L este dimensiunea orizontală caracteristică a golfului, m; H este adâncimea în zona de maree, m.

Resursele tehnice ale energiei mareelor în Rusia sunt estimate la 200-250 miliarde kWh pe an și sunt concentrate în principal în apropierea coastelor Mării Okhotsk, Mării Bering și Mării Albe. Interesantă este și perspectiva construirii PES în golfurile Tugur și Penzhinsky din Extremul Orient rus.

Potențialul energetic al PSE din Golful Tugur este estimat la aproximativ 19 TWh/an, ceea ce corespunde unei capacități de peste 2 GW. Mareele din Golful Penzhinsky sunt semnificativ mai mari decât în Golful Tugursky. Potențialul energetic al PES din Golful Penzhinskaya este estimat la aproximativ 70 TWh/an, ceea ce corespunde unei capacități de peste 20 GW.

Construcția pe scară largă a PES este împiedicată în principal de motive economice, deoarece construcția lor necesită investiții semnificative de capital.

Conversia energiei termice din oceane

Resursele de energie termică din oceane

Oceanul este cel mai mare colector natural de radiații solare. Există o diferență de temperatură de 20 °C între apele de suprafață calde, care absorb radiațiile solare, și apele de fund, mai reci. Acest lucru oferă un stoc continuu de energie termică, care, în principiu, poate fi transformat în alte tipuri de energie. Termenul „ocean thermal energy conversion” (OTEC) în sine — „conversia energiei termice a oceanelor” — înseamnă convertirea unei părți din această energie termică în muncă și apoi în energie electrică.

Conversia energiei termice stocate de ocean în energie mecanică și apoi în energie electrică necesită crearea unei mașini de căldură care, într-un fel sau altul, utilizează diferența naturală de temperatură dintre straturile de suprafață încălzite și straturile de adâncime răcite. În primă aproximație, cota de energie convertită poate fi definită prin eficiența ciclului termodinamic Carnot ca ∆T/T, unde ∆T este valoarea diferenței de temperatură dintre încălzitor și răcitor; T este valoarea absolută a temperaturii încălzitorului (K). În consecință, pentru a determina rezervele de energie termică realizabile, sunt necesare informații privind distribuția temperaturii la suprafața oceanului, grosimea stratului încălzit, adâncimea stratului de apă rece și viteza de mișcare a maselor de apă.

Prima astfel de estimare aproximativă a fost făcută în 1977 și s-a bazat pe faptul că, în medie, în oceanul mondial, diferența de temperatură dintre suprafață și adâncimea de aproximativ 400 m este de 12°C, ajungând la 20°C doar în unele zone din apropierea ecuatorului. Presupunând, în medie, că o diferență de temperatură de 12 °C persistă pe întreaga suprafață liberă de gheață de aproximativ 3-10 14 m 2 într-un strat de 100 m grosime, energia termică totală prezentă în ocean la un moment dat poate fi estimată astfel

unde ρ este densitatea apei, kg/m 3 ;

v — volumul de apă încălzită, m 3 ;

c_p — capacitatea termică specifică, J/(kg-K).

Presupunând c_p= 4,19 kJ/(kg-K), valoarea energiei stocate W =15 ⋅10 23 J.

Estimări mai precise necesită cunoașterea modelului de distribuție a temperaturii. Distribuția diferențelor de temperatură pe suprafața Oceanului Mondial este ilustrată în Fig. 14.1.1. Hărțile arată că suprafața zonei cu o diferență de temperatură maximă constantă nu este atât de mare și este de aproximativ 20 milioane km2 . Cu prețul reducerii randamentului ciclului ideal cu 1 %, această zonă de posibilă amplasare a convertoarelor termice poate fi mărită de aproximativ 6-7 ori. Constanța diferenței de temperatură în cazul retragerii unei părți din energie ar trebui asigurată de aportul de energie datorat mișcării, maselor de apă și absorbției radiației solare.

Determinarea resurselor de energie termică asociate cu oceanul nu ar fi completă fără a lua în considerare potențialul altor două gradienți de temperatură care există între aerul din apropierea suprafeței și apa de suprafață și între apa de fund și roca de bază. Aceste resurse nu au fost încă evaluate, dar se lucrează deja la crearea unor modele funcționale de convertoare care să utilizeze prima diferență, care prezintă un interes deosebit în Arctica, unde iarna — timp de cel puțin 8 luni pe an — temperaturile aerului se situează su b-20°C, cu temperaturi relativ constante ale apei de +2 — +3°C sub gheață. Calculele arată că, la o astfel de diferență, fiecare 1 m 3 de apă de mare, care trece timp de 1 s prin convertor, permite obținerea a aproximativ 10 kW de putere, cu un randament al instalației de 5%.

Centrale termice oceanice (OTES)

O sursă de energie regenerabilă promițătoare este energia termică a oceanelor, care poate fi exploatată din diferența naturală de temperatură dintre apele de suprafață și cele de adâncime ale oceanelor din zonele tropicale. Căldura care circulă dintr-un mediu de lucru cu temperatură ridicată către un mediu cu temperatură mai scăzută poate fi transformată în muncă utilă. Temperatura medie a apei oceanice la suprafață în zonele tropicale atinge 28 ◦ C, iar la adâncimi de până la 600 de metri temperatura apei este de 3-4 ◦ C.

Ideea de a utiliza energia termică a fost realizată practic în 1928 de către inginerul francez J. Claude, care a construit prima centrală termică oceanică (OTPP) pe coasta Cubei, care a dezvoltat aproximativ 22 kW de energie electrică și a produs apă dulce. Energia a fost produsă în ceea ce se numește ciclu deschis, deoarece apa de mare a fost utilizată ca fluid de lucru. Cu ajutorul pompelor, aceasta a fost transferată de la suprafața oceanului la o temperatură de 27 ◦ C către un evaporator parțial vidat, după care a fost transformată în abur, care a rotit o turbină conectată la un motor electric. Vaporii au fost apoi răciți cu apă rece la 14 ◦ C extrasă de la o adâncime de 400 de metri. Apa uzată a fost evacuată în ocean.

Un ciclu închis este mai eficient atunci când se utilizează ca fluid de lucru un fluid cu punct de fierbere scăzut (amoniac, propan etc.).

În SUA, Japonia și o serie de state insulare ecuatoriale au fost dezvoltate mici centrale demonstrative de cogenerare a căldurii și energiei electrice care utilizează gradientul de temperatură al straturilor de apă de suprafață și de adâncime din ocean. În ciuda diferenței mici de temperatură a ciclului centralei termice și electrice combinate, potențialul termic uriaș acumulat de apa de mare face tentantă utilizarea acestei surse de căldură ecologice pentru producerea de energie electrică.

Primul proiect modern al unui CHPP de 50 kW a fost testat lângă Hawaii în 1979. Amoniacul a fost utilizat ca fluid de lucru, care a fost încălzit într-un schimbător de căldură de apa de mare de suprafață până la 27 ◦ C și răcit de apa de adâncime cu o temperatură de aproximativ 5 ◦ C.

Un sistem HEPS prototip mai puternic a fost dezvoltat de specialiștii japonezi în anii 1980 pe insula Nauru din Oceanul Pacific. Instalația funcționează în ciclu închis, utilizând agent frigorific P22 cu apă caldă la aproximativ 29 °C și apă rece de la o adâncime de 580 m la 7,9 °C. Această centrală a atins o putere de 120 kW, din care o parte este furnizată rețelei din insula Nauru și o parte este utilizată pentru nevoile proprii.

Utilizarea unei centrale termice suficient de puternice în același loc din ocean pentru o perioadă nedeterminată de timp este posibilă numai dacă există curenți care aduc energie termică din alte părți ale oceanului.

Figurile 6.1 și 6.2 prezintă diagrama schematică a unei centrale termice și electrice combinate cu ciclu Rankine pe un corp de lucru cu fierbere scăzută și soluții de proiectare privind amplasarea echipamentelor.

Apa caldă de la suprafața oceanului este preluată de la pompă și trimisă la evaporator, unde corpul de lucru cu fierbere scăzută este încălzit și evaporat prin eliminarea căldurii din apa furnizată. Apa răcită din evaporator este evacuată. Vaporii corpului de lucru din evaporator se îndreaptă spre turbină și apoi spre condensator. Pentru a condensa aburul evacuat, în condensator este adusă apă rece din adâncurile oceanului. Apoi, condensatul este pompat în evaporator cu ajutorul unei pompe de circulație, iar ciclul este închis. Principalele dificultăți sunt legate de necesitatea de a ridica volume semnificative de apă de la adâncimi mari.

Cele mai importante probleme ale creării centralelor termice și electrice pentru zonele tropicale ale oceanelor sunt: intensificarea schimbului de căldură în generatorul de abur și condensator pentru a reduce masa și dimensiunile acestora, prevenirea bioîncrustațiilor și a coroziunii echipamentelor, căutarea unor substanțe de lucru eficiente și sigure pentru mediu, cu punct de fierbere scăzut.

O variantă a utilizării energiei termice oceanice este metoda bazată pe utilizarea diferenței de temperatură dintre apă și aer deasupra suprafeței sale. Această metodă este deosebit de promițătoare pentru regiunile arctice. Temperatura apei oceanice în regiunile arctice este cu 30-40 ◦ C mai mare decât temperatura aerului atmosferic.

În centralele termice și electrice combinate arctice (figura 6.3), apa de mare cedează căldură fluidului intermediar de lucru din generatorul de aburi cu evaporator al centralei. Acest lucru face imposibilă utilizarea căldurii apei sub punctul său de îngheț. Temperatura apei sub gheață în regiunile arctice nu este mai mare de +0,5 ◦ C, iar punctul său de îngheț la 34% salinitate este d e-1,86 ◦ C. Diferența de temperatură în schimbătorul de căldură poate fi presupusă a fi de 2 ◦ C. Un turn de răcire cu aer cu tiraj natural poate fi utilizat ca condensator în astfel de GHE.

Consecințele negative ale funcționării centralei de cogenerare includ posibile scurgeri de corpuri de lucru cu punct de fierbere scăzut în ocean, precum și de substanțe utilizate pentru spălarea schimbătoarelor de căldură. Este posibil să existe o eliberare semnificativă de dioxid de carbon din apele reci de adâncime care urcă la suprafață din cauza scăderii presiunii parțiale a CO₂ presiunea parțială și creșterea temperaturii. Se preconizează că emisiile de dioxid de carbon din apă în timpul funcționării centralelor de cogenerare vor fi cu 30 % mai mari decât în timpul funcționării centralelor clasice de aceeași capacitate care utilizează combustibili fosili.

Transportul energiei electrice către consumatorii de pe uscat este fezabil atunci când centrala de cogenerare nu este foarte departe de consumatorii de pe uscat.

În viitor, în diferite țări sunt avute în vedere centrale termice autonome în largul mării, care să furnizeze energie pentru producerea de diferite substanțe din apa de mare. Astfel de centrale pot fi, de asemenea, utilizate pentru a produce combustibil prin prelucrarea hidraților de gaz, care sunt observați în structurile de fund ale mărilor interioare ale oceanelor Pacific și Arctic.

În viitor, sistemele energetice oceanice pot fi utilizate pe scară largă pentru a produce apă dulce. Producția asociată de cantități mari de săruri poate furniza materia primă de bază pentru dezvoltarea unor industrii chimice specializate.

Crearea sistemelor de conversie a energiei oceanice necesită dezvoltarea unor echipamente subacvatice fundamental noi care să utilizeze noi materiale sintetice și compozite, precum și metale rare precum titanul, magneziul și altele.

Diagrama schematică a unei centrale termice cu ciclu închis

Schema instalației care funcționează în ciclu închis este prezentată în fig. 14.2.1. Într-un astfel de sistem, apa caldă de suprafață pompată de o pompă prin schimbătorul de căldură al evaporatorului este utilizată pentru a transforma în vapori orice corp de lucru adecvat (amoniac, freon, propan), a crea un vapori de înaltă presiune, oferindu-i posibilitatea de a se extinde printr-o turbină într-un frigider, unde vaporii se condensează la contactul cu suprafețele răcite ale celui de-al doilea schimbător de căldură spălat cu apă pompată din straturile adânci ale oceanelor.

Fig. 14.2.2 prezintă ciclul termodinamic al unei astfel de mașini de căldură (ciclul Rankine) în coordonate absolute temperatură-entropie. Lucrul util efectuat de abur în turbină este determinat de ramura 1-2, condensarea are loc la ramura 2-3, apoi corpul de lucru este alimentat de o pompă la evaporatorul 3-4, unde este încălzit (ramura 4-5) și vaporizat (ramura 5-1). Astfel, alimentarea cu agent de lucru a sistemului termic se realizează pe ramurile 3-4-5, iar evacuarea se realizează pe ramura 2-3. Trebuie efectuate lucrări suplimentare pentru pomparea condensului în evaporator (3-4) și pentru alimentarea cu apă a încălzitorului și a răcitorului.

Randamentul teoretic maxim al unui astfel de sistem este determinat de diferența de temperatură dintre apa furnizată încălzitorului și răcitorului, ca randament al ciclului Carnot echivalent

Pentru diferențele de temperatură dintre straturile de apă de suprafață și de adâncime cuprinse între 15 și 26 °C, aceasta variază între 5 și 9 %. Eficiența reală este, de regulă, considerabil mai mică. Acest lucru se datorează limitărilor de proiectare care nu permit aducerea temperaturii vaporilor și condensatului la temperatura apei calde, respectiv reci, într-o instalație reală (în fig. 14.2.2 este subliniat cu ajutorul diferențelor de temperatură ∆T_Н = T₀₁ − T₁ și ∆T_К = T₂ − T₀₂. Temperaturile specifice sunt prezentate în Fig. 14.2.1. Se poate calcula că la un randament teoretic de 7,3 %, turbina atinge o valoare de aproximativ 2 ori mai mică — 3,6 %. Și nu se iau în considerare pierderile pentru nevoile auxiliare ale stației, care vor reduce eficiența la o valoare mai mică de 2,5%. Acest lucru, la rândul său, înseamnă că pentru a obține 1 MW de putere „utilă”, cel puțin 40 MW de putere termică trebuie să treacă prin schimbătoarele de căldură ale unei astfel de centrale. Din acest motiv, centralele de cogenerare necesită cantități uriașe de apă caldă și rece, măsurate în mii de metri cubi pe secundă.

Pentru a ne imagina ce este o centrală industrială reală de cogenerare, este suficient să specificăm astfel de cifre aproximative: o centrală de 40 MW (plutitoare) ar trebui să aibă o deplasare de aproximativ 70 de mii de tone, un diametru al conductei de apă rece de 10 m și o suprafață de lucru a schimbătorului de căldură de aproximativ 45 de mii m 2 .

Diagrama schematică a unei centrale termice cu ciclu deschis

Schema centralei care funcționează conform ciclului deschis Claude este prezentată în fig. 14.3.3. În acest caz, apa de mare este utilizată ca corp de lucru. Ea este introdusă în evaporator printr-un dezaerator, care eliberează apa de gazele dizolvate. Aerul este eliminat în prealabil din cavitățile evaporatorului și condensatorului, astfel încât presiunea de deasupra suprafeței lichidului să fie determinată numai de presiunea vaporilor saturați, care depinde puternic de temperatură. La temperaturile caracteristice unei centrale de cogenerare, această diferență este de aproximativ 1,6 kPa (într-un ciclu închis cu amoniac, de aproximativ 500 kPa); sub acțiunea acestei diferențe, vaporii de apă antrenează turbina și intră în condensator, unde sunt transformați în lichid.

Principala diferență a ciclului este căderea mică de presiune, care necesită utilizarea turbinelor gigantice corespunzătoare cu diametre de câteva zeci de metri. Acesta este probabil principalul dezavantaj tehnic al sistemelor cu ciclu deschis. Cu toate acestea, principalul lor avantaj este absența schimbătoarelor de căldură gigantice, non-tehnologice. În plus, sistemele cu ciclu deschis pot produce cantități mari de apă dulce, ceea ce este important în zona fierbinte a planetei.

Exploatarea diferenței de temperatură ocean-atmosferă

Ideea de a utiliza diferența de temperatură dintre aerul rece și apa înghețată (caldă) de sub gheața arctică a fost sugerată pentru prima dată în Franța de A. Bargeau, care a dezvoltat ideea lui D’Arsonval de a transforma energia termică stocată în ocean. Bargeau, care a dezvoltat ideea lui D’Arsonval de transformare a energiei termice stocate în ocean. În țara noastră, cu un lung platou arctic, lucrările din acest domeniu au suscitat întotdeauna interes. Este suficient să amintim proiectele lui G. Pokrovsky (1901-1979), lucrările efectuate sub îndrumarea lui V.I. Marochek la Vladivostok, studiile lui A.K. Ilyin și V.V. Tikmenov efectuate acolo. Tikmenov.

Particularitatea funcționării unor astfel de stații este așa-numitul ciclu „triunghiular”: încălzirea și evaporarea corpului de lucru ca urmare a procesului politropic, expansiunea adiabatică prin turbină, compresia izotermă la alimentarea evaporatorului cu eliminarea simultană a căldurii în exces în răcitor. Eficiența unui astfel de ciclu, așa cum se arată într-una dintre lucrările lui A.K. Ilyin, este mai mică decât eficiența termică a ciclului Carnot de aproximativ 2 ori. Cu o precizie de până la 1 %, acesta este determinat prin expresia

unde T₀₁ — este temperatura apei calde subglaciare (275 K); T₀₂ — temperatura aerului de răcire (până la 233 K). O diferență semnificativă de temperatură va fi capabilă să compenseze scăderea eficienței. Capacitatea teoretică a unei astfel de centrale termice și electrice combinate poate fi estimată folosind formula lui V.A. Akulichev

unde k = H/L este raportul dintre grosimea stratului de apă caldă utilizat și lungimea caracteristică de perturbare a mediului de-a lungul curentului; u este viteza curentului; A este zona de interacțiune dintre stație și ocean; η este factorul de pierdere în agregate și sisteme.

Dacă punem k = 1 în această expresie și considerăm pierderile mecanice în agregatele stației neglijabil de mici (η_м = 1), puterea specifică obținută din 1 m 2 de suprafață oceanică la o diferență de temperatură apă-aer de 10 °C este de aproximativ 18 kW/m 2 , la o diferență de temperatură de 20 °C — 60 kW/m 2 , iar la o diferență de temperatură de 30 °C — 125 kW m 2 . În aceste estimări, se presupune că valoarea vitezei apei este de 0,02 m/s, o viteză tipică pentru zonele de coastă ale Oceanului Arctic.

Astfel, dacă nu există restricții privind adâncimea oceanului în zona de amplasare a centralei termice polare și puterea de 1 MW, aceasta va perturba regimul termic pe o suprafață de numai aproximativ 20 m 2 .

Fig. 14.4.1 prezintă schema AOTPP elaborată de A.K. Ilyin și V.V. Tikmenov. Tikmenov a schemei AOTES cu schimbătoare de căldură cu suflare de aer. Acesta utilizează un circuit suplimentar cu un agent de răcire intermediar, care permite reducerea semnificativă a pierderilor de energie pentru nevoile auxiliare ale instalației.

Schema seamănă cu centralele termice convenționale cu turnuri de răcire pentru răcirea apelor reziduale, dar aceste turnuri de răcire funcționează în condiții în care temperatura aerului exterior este cu mult sub zero, iar temperatura lichidului răcit este cu doar câteva grade mai ridicată. Prin urmare, în circuitul de răcire al unei astfel de instalații trebuie utilizată o saramură cu punct de congelare scăzut. Ca agent intermediar de răcire, se utilizează o soluție apoasă de clorură de calciu cu o concentrație de cel puțin 26 kg la 100 kg de apă, care este utilizată pe scară largă în ingineria frigului. Corpul de lucru în circuitul principal al stației este freonul-12, ale cărui vapori antrenează turbina cu un generator electric.

Agentul de răcire intermediar este răcit prin pulverizarea acestuia prin duzele răcitorului cu pulverizare. Este important să se asigure o anumită atomizare, astfel încât, pe de o parte, picăturile de agent de răcire să nu fie antrenate de fluxul de aer rece și, pe de altă parte, să aibă timp să se răcească în timpul căderii. Pentru ca o picătură cu diametrul de 1 mm să se răcească cu 2 °C atunci când se deplasează în aer cu o diferență medie de temperatură de 30 °C, aceasta trebuie să zboare în cădere liberă puțin peste 3 metri. Prin pulverizarea unei soluții de clorură de calciu în acest mod, se poate obține o eliminare de energie specifică de peste 230 W/(m 2 K). Aceste valori ale coeficienților de transfer termic sunt, desigur, inferioare celor obținute în prezent în proiectele de schimbătoare de căldură apă-apă din centralele termice tradiționale (până la 5 kW/(m 2 K)), dar depășesc de aproximativ 5 ori valorile tipice pentru cele mai simple schimbătoare de căldură cu aer din centralele fără agent de răcire intermediar. Acest lucru face posibilă reducerea intensității în metal a condensatoarelor și creșterea producției de energie utilă cu aproximativ 20 %.

Conversia directă a energiei termice oceanice

Schema OTES pe convertoare termoelectrice este prezentată în Fig. 14.5.1. Funcționarea sa se bazează pe fenomenul Seebeck, care constă în apariția unei diferențe de potențial într-un circuit electric alcătuit din materiale cu concentrații diferite de purtători de sarcină, ale căror puncte de conexiune sunt încălzite la temperaturi diferite. Mărimea acestei diferențe de potențial poate fi determinată prin formula bine cunoscută:

unde k este constanta Boltzmann; e este sarcina electronilor; n₀₁, n₀₂ — concentrațiile purtătorilor (electroni în conductori, electroni și găuri în semiconductori); ∆T este diferența de temperatură dintre joncțiunile încălzite și răcite ale unor materiale conductoare de electricitate diferite.

Funcționarea unui astfel de sistem este descrisă pe deplin de legile termodinamicii, care sunt valabile pentru centralele termice și electrice convenționale. Eficiența unui astfel de convertor realizat pe elemente semiconductoare atinge 10 %. Aceasta este mult mai mare decât cea a sistemelor care funcționează conform ciclului Rankine și Claude. În plus, pierderile pentru nevoile proprii ale centralei pot fi reduse la minimum în sistemele unor astfel de CHPP-uri. Magnitudinea termo-EMF pentru cuplurile semiconductoare poate ajunge la câțiva milivolți pe grad (acestea sunt de aproximativ 1000 de ori mai mici pentru termocuplurile metalice). De exemplu, constanta Seebeck pentru cristalele de telurură de bismut cu conductivitate n și p este de 3,14-1 0-4 B/K.

Un alt avantaj al sistemelor semiconductoare este posibilitatea de a asigura o izolare termică suficient de ridicată între încălzitor și răcitor, ceea ce afectează puternic eficiența sistemelor.

Dezavantajele acestor sisteme includ un cost destul de ridicat al materialelor din care sunt fabricate elementele și necesitatea de a izola joncțiunea de contactul direct cu apa de mare — există o derivație prin apă a elementelor învecinate, care au o rezistență intrinsecă destul de ridicată și, în consecință, o reducere a puterii livrate circuitului de sarcină. La rândul său, izolarea joncțiunii conduce la creșterea costului convertoarelor și la deteriorarea performanțelor acestora. Lucrările efectuate de un grup de cercetători de la Universitatea din Osaka (Japonia) arată că, în absența unui izolator, eliminarea puterii utile crește de câteva ori. Cu toate acestea, trebuie avut în vedere faptul că, în experimentele cercetătorilor japonezi, au fost utilizați compuși fluorocarbonici ca purtători de energie și nu apa de mare în sine.

Centralele termice și electrice combinate bazate pe principiul descris pot fi probabil utilizate pentru a furniza energie electrică complexelor miniere subacvatice de pe fundul oceanului.