Разработаны ОТЭС с открытым циклом. В таких установках рабочим телом служит теплая поверхностная вода (25…30 °С), испаряющаяся при пониженном давлении. Получающийся при этом пар приводит во вращение турбогенератор. На выходе из турбины пар конденсируется холодной глубинной водой и превращается в качестве побочной продукции в пресную воду, что дает дополнительный экономический эффект. Однако при использовании открытого цикла имеет место существенный недостаток. При кипении морской воды из нее выделяется растворенный воздух, повышая давление в вакуумной камере и приостанавливая кипение. Поэтому требуется его непрерывная откачка. На это необходимо затрачивать до 10% вырабатываемой электроэнергии, что значительно увеличивает расход на собственные нужды.
Разработки по использованию тепловой энергии океана входят в национальные научно-технические программы таких стран, как США, Япония, Франция, Швеция, Индия. В 1979 г. в США вблизи Гавайских островов была испытана первая в мире океаническая ТЭС (ОТЭС) мощностью 50 кВт, смонтированная на барже. В 1980 г. там же была пущена ОТЭС мощностью 1 МВт, смонтированная на переоборудованном танкере. Обе установки работали по замкнутому циклу и предназначались для исследовательских целей. В октябре 1981 г. на острове Науру в Тихом океане (Япония) была пущена опытная ОТЭС мощностью 100 кВт, использующая замкнутый цикл. Это первая в мире океаническая береговая электростанция. Ее успешная работа показала целесообразность сооружения на японских островах береговых ОТЭС мощностью до 10 МВт. Опыты и расчеты показывают, что себестоимость электроэнергии ОТЭС соответствует себестоимости энергии, вырабатываемой современными ТЭС и АЭС.
Однако широкому строительству ОТЭС в настоящее время препятствуют некоторые технические проблемы. Так, например, еще нет достаточно эффективных и экономически приемлемых средств для борьбы с коррозией и биологическим обрастанием оборудования и трубопроводов.
ОТЭС экологически чисты. Однако, при утечке в контуре, по которому циркулирует рабочая жидкость, возможен существенный ущерб для морской флоры и фауны.
Описанный способ преобразования тепловой энергии океана наиболее эффективен там, где выше перепад температур между верхними и нижними слоями воды. Наиболее перспективны в этом отношении тропические и субтропические районы океана. Разновидностью описанного способа утилизации тепловой энергии океана является метод, основанный на использовании разности температур воды и воздуха над ее поверхностью. Он перспективен для арктических районов океана. В России исследуется возможность сооружения таких ОТЭС на побережье Северного Ледовитого океана, где температура воды на 30…40 °С выше температуры атмосферного воздуха. Предполагается, что в этом случае ОТЭС, обеспечивая потребности в электроэнергии районов Крайнего Севера, смогут конкурировать по экономическим показателям с тепловыми электростанциями, работающими в этом регионе на привозном топливе.
Энергетические установки, использующие энергию океанических течений. Всю акваторию Мирового океана в различных направлениях пересекают течения, в которых сосредоточены значительные запасы кинетической энергии (около 7,2×1012 кВт×ч). Эту энергию можно превратить в механическую и далее в электрическую.
Важнейшее морское течение – Гольфстрим. Оно проходит близ полуострова Флорида (США) и несет воды в 50 раз больше, чем все реки мира. Его ширина составляет 60 км, глубина – до 800 м. Мощность, которую развивает такой поток воды со скоростью примерно 2 м/с, более в 2 раза превышает суммарную мощность всех ГЭС стран СНГ. Полностью реализовать энергию Гольфстрима не удастся, но даже некоторое практическое ее использование, даст экологически чистую электроэнергию. В США разрабатывается программа Кориолис. Она предусматривает установку во Флоридском проливе, в 30 км восточнее г. Майами, 242 подводных установок мощностью 83 МВт каждая (суммарно 20086 МВт). В качестве первичного двигателя таких установок предполагается использовать прямоточные турбины диаметром 168 м с частотой вращения 1 об/мин. Расстояние между лопастями турбины будет таково, чтобы обеспечить безопасный проход самых крупных рыб. Установка будет погружена на 30 м под уровень океана, с тем, чтобы не препятствовать судоходству. Стоимость всего сооружения оценивается в 20 млрд. долл., что соизмеримо со стоимостью строительства ТЭС такой же мощности, но позволяет экономить около 130 млн. баррелей нефти в год.
В Японии исследуется возможность использования энергии теплого течения Куросио, расход воды которого 55×106 м3/с, а скорость у восточного побережья страны – 1,5 м/с. Для выработки ЭЭ предлагается применение двух трехлопастных гидротурбин с диаметром рабочего колеса 53 м.
Разработан проект использования течения в Гибралтарском проливе, расход воды которого 20…40 тыс. м3/с достаточен для получения 150 млрд. кВт×ч электроэнергии в год.
Работа нетрадиционных источников в энергосистеме
При технико-экономическом обосновании строительства СЭС, ВЭС или других нетрадиционных источников наряду состоимостью сэкономленного топлива большое значение имеет энергетическая эффективность их использования. Она зависит от соотношения установленных мощностей этих электростанций и общей мощности энергосистемы, в которой они работают. Чем меньше это отношение, тем меньшее значение они будут иметь для нее. На эффективность их использования могут оказывать влияние также режимные ограничения, диктуемые энергосистемой и ее отдельными элементами. Эти ограничения определяются характером энергопотребления и условиями использования отдельных энергоресурсов.
Солнечные и ветровые электростанции действуют только при наличии соответствующих погодных условий и их энергоотдача носит случайный характер. Энергоотдачу СЭС или ВЭУ нельзя считать достаточно надежной во времени. Мощности этих электростанций следует считать дублирующими, т.е. их работа необходима только для экономии других энергоресурсов, в особенности, органического топлива. При этом энергосистема должна располагать достаточными резервами генерирующей мощности в любое время суток и года. Выполнение этого условия усложняется по мере роста доли нетрадиционных источников в энергосистеме. При выводе в ремонт традиционных энергоисточников часть мощности может быть покрыта за счет СЭС и ВЭУ или других альтернативных источников ЭЭ. Если ВЭУ расположены на расстоянии нескольких сотен километров друг от друга, но работают на общую сеть, энергосистема может получить дополнительную резервную мощность.
Большое значение для планирования участия СЭС или ВЭУ в покрытии суточных графиков нагрузки энергосистемы имеет наличие достаточно достоверных и заблаговременных метеорологических прогнозов как на сутки в целом, так и на отдельные их интервалы.
Сооружение СЭС или ВЭУ не позволяет уменьшать строительство других электростанций в энергосистеме без снижения надежности электроснабжения. Выходом из этого положения может служить использование аккумуляторов энергии. При этом возможны два варианта:
аккумуляция вырабатываемой СЭС или ВЭУ электроэнергии;
аккумуляция первичных источников энергии, используемых другими входящими в данную энергосистему электростанциями.
Аккумуляция электроэнергии в больших масштабах пока еще не получила большого развития. Для реализации второго способа наиболее эффективно использовать водохранилища ГЭС. При этом во время работы СЭС и ВЭУ снижается мощность ГЭС и сэкономленная вода расходуется затем по требованию энергосистемы. Возможно также применение обычного принципа гидроаккумуляции, при котором мощность, развиваемая нетрадиционными источниками, используется для перекачки воды из нижнего бьефа ГЭС в водохранилище. Такой режим можно осуществить на основе обратимых агрегатов ГЭС, или с помощью специальных насосов. Однако при этом необходима свободная емкость водохранилища.
Совместная работа СЭС, ВЭУ и ГЭС может привести к ощутимому повышению гарантированной мощности гидроэлектростанций, что в свою очередь повысит эффективность энергосистемы в целом. В этом случае может оказаться целесообразным увеличение мощности ГЭС за счет установки дополнительных агрегатов. Возможна также дополнительная выработка электроэнергии ГЭС за счет работы ее на повышенных напорах. Эти напоры создаются путем увеличения уровня верхнего бьефа ГЭС при аккумуляции гидроэнергии. Ограничением для аккумуляции гидроэнергии служит режим нижнего бьефа ГЭС, диктуемый неэнергетическими потребителями воды. Это особо важно в южных районах страны, где вода из нижнего бьефа забирается для орошения полей.
Аккумуляция солнечной или ветровой энергии в водохранилищах будет эффективной и при работе СЭС и ВЭУ совместно с малыми ГЭС в автономных системах электроснабжения.
Режим генерации энергии ВЭУ соответствует интенсивности энергии ветра. Использовать такую электроэнергию могут потребители, не предъявляющие высоких требований к бесперебойности электроснабжения. Ими, в частности, могут быть электролизеры для производства водорода как весьма ценного энергетического ресурса, насосные установки для подъема подземных вод и др. Число таких потребителей весьма ограничено, а для всех других электроприемников генерирующую мощность ВЭУ необходимо дублировать каким-либо гарантированным источником энергии. Им может быть любая энергетическая установка, способная работать в переменном режиме.