20 000 megavatų po vandeniu: Okeaniniai garo varikliai  (5)

Žiu­lis Ver­nas įsi­vaiz­da­vo šį ne­iš­sen­kan­tį ener­gi­jos šal­ti­nį Vik­to­ri­jos lai­kais – XXI am­žiaus in­ži­nie­riai tvir­ti­na, kad van­de­ny­nuo­se su­kaup­ta ši­lu­ma ga­lė­tų ga­min­ti elek­trą vi­sam pa­sau­liui

Jei koks nors energijos šaltinis ir vertas steampunk pavadinimo, tai labiausiai – okeanų terminės energijos konversija. Viktorijos laikų mokslinė fantastika? Yra – Žiulis Vernas svarstė jos potencialą romane Dvidešimt tūkstančių mylių po vandeniu 1870 m. Mechaninė, maždaug XIX amžiaus technologija? Yra. Patrauklus postapokaliptinės ateities atsinaujinančios energijos šaltinis? Dedame varnelę ir čia.

Jo užmojai išties buvo grandioziniai. Teoriškai, okeanų terminės energijos konversija (ocean thermal energy conversion – OTEC) galėtų suteikti 4000 kartų daugiau energijos, nei pasauliui reikia kasmet, be jokių teršalų ar šiltnamio efektą sukeliančių dujų. Tačiau tikrovėje šis būdas buvo ilgai nurašomas, kaip nepraktiškas.

Šiais metais pasaulyje vyksta stulbinamai daug projektų, vykdomų ne užsidegusių romantikų, nekreipiančių dėmesio į praktinę reikalo pusę, o užkietėjusių pragmatikų, tokių, kaip aeronautikos milžinas Lockheed Martin. Tai kas pasikeitė?

Gal Vernas OTEC idėją sugalvojo, kad padėtų kapitonui Nemo, pasakojimo apie keliones jūros gelmėse pagrindiniam veikėjui, gauti elektrą povandeniniam laivui Nautilus – tai pirmasis rašytinis šios idėjos paminėjimas. „Sukūrus uždarą grandinę tarp dviejų skirtingame gylyje panardintų vielų [turėtų būti įmanoma] išgauti elektrą iš jas supančių temperatūrų skirtumo,“ pasakojo Nemo savo bendrakeleiviui. Po vienuolikos metų nuo knygos publikavimo, prancūzų fizikas Jacques-Arsène d'Arsonval pasiūlė pirmąjį praktišką būtent tai darančios elektrinės projektą. Užuot naudojęs vielas, temperatūrų skirtumą tarp šaltos gelmės ir šilto vandens paviršiaus jis išnaudojo garų energijai gauti vamzdžiais.

Idėja nuostabi. Vandenynas yra milžiniškas ir nuolat papildomas Saulės energijos kaupiklis. Didžioji šios šilumos dalis sukaupta viršutiniame 100 m sluoksnyje, tuo tarpu 1000 metrų gelmėje ir žemiau – maitinamuose poliarinių regionų – laikosi gana pastovi 4 – 5 °C temperatūra.

Norint išgauti energiją iš šio temperatūrų skirtumo, dabartinės sistemos šiltu paviršiniu vandeniu apiplauna vamzdžius, kuriais teka žemos virimo temperatūros skystis, pavyzdžiui, amoniakas. Amoniakas užverda ir jo garai suka elektros generatoriaus turbinas. Tada nuo šalto gelmių vandens amoniakas kondensuojasi ir ciklas prasideda iš naujo.

Garų turbinos veikia kone visose anglimi ar branduoliniu kuru varomose elektrinėse, tačiau ten garai gaunami deginant taršią anglį ar sukuriant ilgai išliekančias branduolines atliekas. Tuo tarpu OTEC, garus kuria švariu ir praktiškai neišsenkančiu būdu.

Elektros vandenynas

Taip būtų idealiame pasaulyje. Tikrovėje, tai, ką suteikia šiluminis gradientas, pasiglemžia įranga. Pagrindinė problema – šalto vandens pasiekimas. Norint pumpuoti didelius vandens kiekius, reikia 1000 m ilgio vamzdžių, pakankamai plačių ir stiprių, kad susidorotų su keletu kubinių metrų jūros vandens per sekundę kiekvienam pagaminamos elektros megavatui. Suskaičiavus visus proceso netobulumus, teorinis OTEC jėgainės našumas nukrenta iki niekingų 4 – 6%.

Dėl šio ir visų kitų faktorių, procesui reikia bent jau 20 °C skirtumo tarp paviršinio ir gilaus vandens. Tokios sąlygos egzistuoja gana siauroje ekvatoriaus juostoje, apimančioje tropikus ir subtropikus.

Nepaisant šių apribojimų, XX amžiuje karts nuo karto pasitaikydavo bandymų priversti OTEC veikti. Ambicingiausią iš jų aštuntajame dešimtmetyje įžiebė naftos krizė, po kurios JAV prezidentas Jimmy'is Carteris pasirašė įstatymą, numatantį iki 1999-ųjų šia technologija gaminti 10 000 megavatų. Tačiau tada naftos kainos nukrito ir naftos alternatyvos vėl nugrimzdo į darytinų darbų sąrašo dugną.

Taigi, kai Lockheed Martin kompanija pernai paskelbė pradedanti 10 MW jėgainės statybą pietinėje Kinijos pakrantėje, naujiena žymesnio dėmesio nesulaukė. Mes čia jau buvom.

Bet atidžiau pažvelgus matosi, kad projektas gali žymėti OTEC bangos pokyčius. Galbūt dėl keistos partnerystės tarp kitų atsinaujinančių šaltinių, naftos pramonės, gal netgi klimato kaitos, jau išaušo diena šiai XIX amžiaus technologijai tapti atsinaujinančių energijos šaltinių kokteilio dalimi.

Kinta daug skaičiavimų. OTEC efektyvumas gal ir nedidelis, bet kadangi naudojamas nemokamas jūros vanduo, kurio netrūksta, pakankami dideliu masteliu tai daryti vis vien ekonomiškai apsimoka.

Naftos kainos nestabilios ir klimato kaita vis įsakmiau verčia ieškoti alternatyvių energijos šaltinių
Naftos kainos nestabilios ir klimato kaita vis įsakmiau verčia ieškoti alternatyvių energijos šaltinių. Nepastovūs atsinaujinančios energijos šaltiniai, tokie, kaip vėjo ir saulės energija, elektrą tiekiantys tik kai šviečia saulė ar pučia vėjas, tebelaiko juos energijos gavybos pakraščiuose. Tuo tarpu OTEC jėgainės gali veikti 24 valandas per parą, sako Tedas Johnsonas iš Ocean Thermal Energy Corporation, planuojančios šią technologiją komercializuoti. Nuolatinis veikimas reiškia, kad OTEC jėgainė gali būti tiesiogiai prijungta į municipalinį tinklą ir pakeisti iškastinį kurą naudojančias elektrines be specialių pritaikymų ir balansavimų, būtinų, integruojant neprognozuojamas saulės ir vėjo jėgaines.

Bet kokia nauda, jei įranga kainuoja daugiau, nei ja išgaunama elektra? Čia irgi pasistūmėta į priekį. Lockheed Martin pasiskolino tiltų ir vėjo turbinų gamybos techniką – abi šios sritys naudoja pažangius stiklo pluošto ir dervų kompozitus ultralengvų ir ultrastiprių medžiagų gamybai, – gamindama nebrangius, bet pakankamai stiprius ir lanksčius vamzdžius, galinčius ištverti vandenyno srovių poveikį. Be to, jis gali būti gaminamas vandenyno paviršiuje esančioje OTEC jėgainės platformoje ir palengva leidžiamas žemyn, išvengiant didžiulės struktūros gabenimo į vietą ir pametimo rizikos. Daug žadantis OTEC projektas Bengalijos įlankoje 2003 m turėjo būti nutrauktas, kai 1 MW elektrinę statę inžinieriai pametė ne tik pagrindinį vamzdį, bet ir jo pamainą.

Yra dar ir daugybė pamokų iš naftos ir dujų gavybos jūroje, kur tapo įprasta darbuotis giliau, nei 1000 metrų gylyje. Todėl dabar galima įsigyti įrangos, kurią prieš 20 metų būtų reikėję pradėti kurti nuo brėžinių.

Dėl to 100 MW jėgainės statybos kaina būtų maždaug 790 milijonų dolerių, sako Luisas Vega, tiriantis OTEC Havajų universiteto Havajų natūralios energijos institute Manoa. Atsižvelgdamas į OTEC elektrinės statybos kainą ir veikimo kaštus, Vega skaičiuoja, kad gaminamos elektros kaina būtų apie 18 JAV centų už kilovatvalandę, netoli nuo JAV Energijos departamento skaičiuojamų 14 centų už anglį su dioksido gaudymu ir laidojimu ar 14 – 26 centų už Saulės energiją.

Dėl tokių aplinkybių pokyčių, OTEC projektai ėmė rastis visame pasaulyje.
Dėl tokių aplinkybių pokyčių, OTEC projektai ėmė rastis visame pasaulyje. Pernai 50 kW pilotinė OTEC jėgainė ėmė veikti Kume saloje Okinawa'oje, Japonijoje. Tuo tarpu Havajuose, Makai Ocean Engineering stato 100 kW elektrinę savo Vandenyno energijos tyrimų centre Kailua-Kona Didžiojoje saloje. Šiais metais Bluerise, Delftų Technologijos universiteto Nyderlanduose atšaka, planuoja pradėti statyti 500 kW OTEC jėgainę šalia Curaçao tarptautinio oro uosto Karibuose. „Šios mažesnės salos tikriausiai bus pirmoji rinka, kadangi jos kenčia dėl priklausomybės nuo brangaus importuojamo kuro,“ sako Remi Blokker, Bluerise vykdantysis direktorius.

Bet jos nebus paskutinė rinka. Naujausi pasiekimai žada uždegti OTEC žalią šviesą į pagrindinę magistralę.

Įvairios tyrimo grupės nagrinėjo OTEC sujungimo su saulės jėgainėmis galimybes. Paola Bombarda iš Milano politechnikos universiteto Italijoje sumodeliavo OTEC jėgainę, naudojančią saulės energiją šilto jūros vandens temperatūros pakėlimui, prieš panaudojant jį amoniako užvirinimui. Pasirodė, kad netgi pigūs kolektoriai – paprasti įrenginiai, gaudantys šilumą lęšiuose ar vamzdeliuose – dienos elektros išeigą galėtų patrigubinti (Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, vol 135, p 42302).

Netgi pigūs kolektoriai dienos elektros išeigą galėtų patrigubinti

Panaši technika galėtų pagelbėti jėgainėms šalyse, esančiose kiek šiauriau, kad galėtų pasikliauti vien OTEC visus metus, pavyzdžiui, Pietų Korėjoje. Vasarą temperatūrų skirtumas tarp paviršiaus ir gelmės apie Pietų Korėją viršija būtinų 20 °C minimumą, bet to negalima pasakyti apie žiemą. Taigi, tam, kad jėgainė veiktų visus metus, Korėjos okeano tyrimų ir vystymo instituto (Korea Ocean Research & Development Institute – KORDI) inžinieriai Goseong-gune pradeda keisti 20 kW demonstracinę jėgainę taip, kad šiluma iš Saulės, vėjo ir atliekų deginimo jėgainių galėtų pakaitinti atitekantį paviršinį vandenį prieš jam užvirinant amoniaką.

Dar geresnė mintis būtų apjungti OTEC su kitu 24 valandų energijos šaltiniu. Hyeon-Ju Kim su kolegomis iš KORDI planuoja panaudoti giliai po žeme glūdinčią geoterminę energiją jūros vandens, užvirinančio amoniaką kombinuotoje „GeOTEC“ jėgainėje, pašildymui. Tokie patobulinimai galėtų dvigubai praplėsti ekvatoriaus juostą, tinkamą produktyvioms OTEC jėgainėms.

Taip sparčiai vystydamasis, OTEC tapo pakankamai perspektyvus, kad jo plėtra imtų skambinti aplinkosaugininkų pavojaus varpais. Tarp kitų, nerimą rodo ir JAV Nacionalinė vandenynų ir atmosferos administracija, dėl dumblių žydėjimo rizikos, atsirandančios, kai gausus maistingųjų medžiagų, be bakterijų vanduo iš tamsių gelmių pateikiamas alkaniems dumbliams šiltuose, saulėtuose vandenyse. Bet kompiuterių modeliai rodo, kad šaltą vandenį grąžinant giliau, nei į 60 metrų, dumblių žydėjimo rizika turėtų būti minimali, sako Vega.

Siekiant panaikinti netgi šį menką pavojų, Londone įsikūrusi Energy Island užpatentavo OTEC jėgainės dizainą, kuriame amoniako garai į skystį kondensuojami nebe paviršiuje, o gelmėje. Tai reiškia, kad maistinių medžiagų prisotinto vandens visai nereikės pumpuoti į paviršių, sako įkūrėjas Dominicas Michaelisas.

Kitas keliamas klausimas primena jau anksčiau išreikštą nerimą dėl kitų stambaus masto atsinaujinančios energijos šaltinių: ar OTEC darys lokalų ir globalų poveikį aplinkai, tokį, kaip globalios temperatūros kitimas?

OTEC jėgainės galėtų saugiai išgauti 7 TW elektros energijos

Laimei, mokslininkai mano, kad galime didinti OTEC galią, nekenkdami okeanui. Havajų universiteto Okeano ir išteklių inžinerijos departamento Honolulu tyrėjai sumodeliavo plataus, komercinio mastelio OTEC veiklą jūrose, įtraukdami ir globalią termohalinę cirkuliaciją – lėtų srovių tinklą, transportuojantį gelmių vandenis po okeanus. Jų skaičiavimais, OTEC jėgainės galėtų saugiai išgauti 7 TW elektros energijos, arba beveik pusę pasaulyje sunaudojamo energijos kiekio, be pastebimo poveikio okeanų temperatūroms (Journal of Energy Resources Technology, vol 135, p 41202). Tačiau autoriai pripažįsta, kad tvirtas išvadas apie OTEC poveikį aplinkai padaryti sunku.

Dabar tikrai tinkamas metas į atsinaujinančios energijos gamybos arsenalą įtraukti naują formą, kadangi klimato kaita gali tyrėti nenumatytų pasekmių kai kurioms egzistuojančioms švarioms technologijoms. Liepą JAV Energetikos departamentas paskelbė pranešimą apie energijos sektoriaus pažeidžiamumą dėl klimato kaitos, kuriame nurodoma, kad aukštesnės temperatūros gali sumažinti gėlo vandens kiekį hidroelektrinėms ir koncentruotos saulės šviesos jėgainėms, kurių įrangai reikia vandens aušinimui..

Tuo tarpu neatrodo, kad OTEC geriausio veikimo režimą kaip nors paveiktų klimato kaita, sako Robertas Thresheris, tyrėjas iš Nacionalinės atsinaujinančios energijos laboratorijos Goldene, Kolorado valstijoje. „Didžioji dalis OTEC išteklių yra išilgai ekvatoriaus, ir nepanašu, kad jūros paviršiaus temperatūra ten dramatiškai pasikeistų,“ sako jis.

Iš giedro dangaus

Ir išties, klimato kaita netgi gali padidinti globalius OTEC išteklius, praplėsdama OTEC naudojimui tinkamą zoną: „Dėl klimato kaitos šylant okeanams, šilto [paviršinio] vandens gali rastis toliau į šiaurę ir pietus nuo pusiaujo,“ sako jis. Nors ši idėja jau buvo iškelta ir kitur, jis skuba pridurti, kad tai yra „intuityvus spėjimas“, kurį reikia patvirtinti kruopščiu modeliavimu.

Daugiau problemų kelia spėjimas, kad vandenynų gelmės galėjo sugerti didžiąją klimato kaitos šiluminės energijos dalį, kas sumažintų svarbų temperatūrų skirtumą tarp paviršiaus ir gelmės (New Scientist, 7 December 2013, p 34). Tačiau remiantis pernai publikuotu Magdalena'os Balmaseda'os ir kolegų iš Vidutinės trukmės oro prognozių Europos centro Readinge, JK, tyrimu, dar toli gražu nėra aišku, kur konkrečiai visa šiluma dedasi. „Šilumos sugėrimas nėra tolydus erdvėje, gelmėje ir laike,“ pabrėžia Balmaseda (Geophysical Research Letters, vol 40, p 1754).

Nepaisant to, ar šilta pusiaujo juosta, kuria remiasi OTEC, plečiasi ar ne, ši technologija nebeapsiriboja vien tropikų šalimis. Pakrančių simpoziume Hiustone, Teksaso valstijoje, 2013 vasarį, SBM Offshore, vystanti naftos tyrimų ir išgavimo technologiją, paskelbė kurianti dizainą 10 MW OTEC laivo, turinčio tiekti energiją tolimiems naftos gręžiniams. Kuo OTEC jėgainės statomos toliau nuo kranto, tuo jos darosi brangesnės, bet laivai, kuriuos statyti pigiau, tokių apribojimų neturi. OTEC laivai galėtų klaidžioti po jūras, ieškodami geriausio temperatūrų skirtumo, ir prisijungdami prie povandeninių kabelių, elektrą tiekti į krantą.

Šios technologijos šalininkai mano, kad ateitis priklauso OTEC laivams, „besiganantiems“ vandenynuose ir gaminantiems elektrą. Norint išvengti jos tiekimui reikalingų povandeninių kabelių, pagaminta elektra galėtų būti naudojama vietoje, vandens skaidymui į deguonį ir vandenilį saugomą kuro elementuose, kurie gali būti transportuojami į visą pasaulį. 100 megavatų OTEC laivas galėtų per valandą pagaminti 1,3 tonos skysto vandenilio, sako Vega, nors jo kaina būtų maždaug tris kartus didesnė, nei dabar kainuoja naftos barelis. Vandenilio ekonomika dar tik stojasi ant kojų.

Kaip bebūtų, atrodo, kad po visų metų Žiulio Verno idėjos pasitarnauja. Jei ką, jis tiesiog mąstė nepakankami plačiai. Vietoje vieno vandenyno energiją naudojančio laivo, tokių laivų flotilė gali atnešti okeano energiją pasauliui. Išties steampunkas.


Helen Knight
New Scientist № 2958


Aut. teisės: www.technologijos.lt

(13)
(0)
(4)

Komentarai (5)