Подводный сбор термальной воды

Аннотация

Приведена конструкция установки, представляющая собой судовой комплекс для нетрадиционного получения энергии из океанических вод в зоне подводных вулканов и разломов. В схему устройства для сбора термальной воды, получения энергии входит экранирующий купол, барабанные установки и турбогенератор. 

Ключевые  слова: «черные курильщики», барабан, купол, энергия.

Annotation

The construction of the unit is the ship complex for the nonconventional receiving of the energy from the ocean water in the area of underwater volcanoes and breaks. The shielding dome, the drums and the turbogenerator are necessary for the gathering of thermal water, the receiving of the energy and the extraction of the minerals from the mix of the water and steam.

The key words: "black smokers", drum, dome, energy.

Подводный сбор термальной воды для получения энергии

от нескольких “курильщиков”

Среди потребляемых природных ресурсов огромный объем занимают энергетические ресурсы. Основную роль в них несут топливные минеральные ресурсы (уголь, нефть, газ). Но они, к сожалению, являются невосстанавливаемыми, а новые месторождения, как правило, открываются в удаленных, необжитых районах со слабо развитой инфраструктурой и отличаются сложными горно-геологическими условиями.

Ограниченность  запасов традиционных источников и неравномерность их размещения на Земном шаре вызывают необходимость поиска новых источников.

Одним из таких  перспективных энергоисточников являются гидротермальные воды Мирового океана.

Актуальность  их использования появилась тогда, когда экспедициями НИС "Академик Келдыш" были обнаружены области кипящей (более 300° С) воды, истекающей из недр, так называемые «курильщики». Своим названием они обязаны присутствием в истекающей воде минеральных примесей [1].

Основные  заслуги в области открытия и  изучения океанического феномена – “курильщиков” принадлежит ученым и специалистам Института Океанологии РАН.

При изучении океанических гидротермальных  руд особое внимание уделили изучению этих вод ученые ВНИИОкеангеологии во главе с академиком РАН И. С. Грамбергом.

Работы по исследованию гидротермальных вод, как источника энергетических ресурсов, были начаты по инициативе сотрудников бывшей ПНИЛ по подводной добыче полезных ископаемых со дна океанов и морей МГГУ (МГИ) под руководством академика РАН Ржевского В.В., профессором, д.т.н. Нуроком Г.А. и, в первую очередь, профессором, д.т.н. Бубисом Ю.В., и д.т.н. Л. Н. Молочниковым. ПНИЛ по подводной добыче со дна океанов и морей выдвинул следующее положение – об использовании энергии гидротерм океана, техническая идея о системе отбора энергии за счет вывода природной системы из равновесия при гидроподъеме. К.т.н. Семенюк Д.В. под руководством Бубиса Ю.В. в результате теоретических и экспериментальных исследований разработал технологию гидроподъема для получения водорода за счет теплоносителей зон океана.

В зарубежной практике по разработке “черных курильщиков”, как месторождений, предлагаются всевозможные способы добычи минералов.

Ученые калифорнийского университета считают разработку глубоководных термальных источников технически и экономически выгодной. Они предлагают посредством взрыва в районе “черных курильщиков” около Нью-Бритена, поднимать на поверхность взорванную массу, загружать баржи и транспортировать ее на перерабатывающие предприятия [2].

Nautilus Minerals предлагает использовать систему подъема рудного рассола по трубопроводу с фрезерным наконечником на судно или платформу и затем транспортировать ее на перерабатывающие предприятия. В ответ, ученые университета Торонто предлагают использовать версии глубоководных добычных роботомашин, подсоединенных к трубопроводу для подъема смеси на судно или морскую платформу, используемую в нефтедобыче [3].

Исландия получает половину своей электрической энергии  от геотермального тепла и рассчитывает  увеличить ее потребление за счет тепла термальных вод.

В Исландском проекте по глубоководному бурению, поддерживаемым энергетической промышленностью Исландии и правительством, предлагается пробурить глубокие скважины в месте циркулирования горячего источника с целью получения большого количества энергии. Технически это сложно осуществить из-за высокого давления и нагретого до 450^оС рудного рассола [4].  

Для превращения природного феномена в ресурс необходимо разработать технологию, которую можно будет рентабельно использовать.

Актуальность  решения возросла с открытием  «курильщиков» в Беринговом море на глубине до 2 км.

Для того чтобы использовать добытую  энергию, необходимо превратить ее в  транспортируемый энергоноситель.

Автор предлагает конструкцию установки, представляющую собой судовой комплекс для нетрадиционного получения энергии из океанических вод в зоне подводных вулканов и разломов (рис. 1).

Известно, что по мере подъема пароводяной смеси давление падает, и она переходит в парообразное перегретое состояние [5]. Перед этой точкой необходимо повысить давление, соответственно, вывести систему из равновесия, после чего пар в трубопроводе поднимется на необходимую высоту. Для этого на судне устанавливается бак с водой 12, из которого питательным насосом 11 вода подается в основной трубопровод 5. Смешиваясь с пароводяной смесью, температура достигает 300^оС, давление – до 500 атм. С помощью эжектора 13 смесь, циркулирующая под куполом, всасывается и поднимается на необходимую высоту (в зависимости от глубины расположения “черных курильщиков”).

Рис. 1 Структурная  схема установки для добычи георесурса

1 – “черный  курильщик”,

2 – стропы,

3 – поплавки,

4 – купол,

5 – трубопровод,

6 – дроссель,

7 – барабан-сепаратор,

8 – турбина,

9 – генератор,

10 – теплообменник,

11 – насос,

12 – бак,

            13 – эжектор,

14 – лебедка.

Горячая придонная  пароводяная смесь подается по трубопроводу 5 сначала в коллектор, который обеспечивает нормальную работу сепарационного устройства, и далее в барабан-сепаратор 7. В барабане применяется 2-х ступенчатая схема испарения. Первая ступень испарения находится в барабане (“чистый отсек”), вторая ступень -  “соленый отсек” -  выносные сепарационные циклоны. Внутрибарабанное устройство состоит из раздающих пароводяную смесь коробов, внутрибарабанных циклонов, жалюзионных сепараторов и дырчатого листа. Пароводяная смесь из раздающих коробов равномерно поступает в циклоны, где происходит первичное отделение воды от пара. На циклонах установлены блоки жалюзийных сепараторов. Пар, пройдя их, поступает в паровой объем барабана и через верхний жалюзийный сепаратор и пароприемный дырчатый лист направляется из барабана далее в паропровод. Пар из выносных циклонов поступает в барабан под верхний жалюзийный сепаратор. Таким образом, весь пар из барабана в паропровод поступает только из “чистого отсека”. Непрерывная продувка осуществляется из второй ступени испарения [6].

 Из барабана-сепаратора пар по паропроводу подается на турбину 8, где он вращает ротор (происходит преобразование тепловой энергии в механическую).  С ротором турбины жестко связан ротор электрического генератора 9, вырабатывающий электроэнергию за счет снижения давления и температуры пара.

Производительность  судового комплекса зависит от количества горячей воды, подаваемой вулканами. На основе океанологических данных установлено, что расположенные друг от друга на расстояниях 50-150 м трещины подают из недр горячую воду в количестве около 300-800 м³/ч [7]. Благодаря тому, что горячая вода в океане поднимается вверх, ее с помощью эластичного специального купола 4, расположенного над несколькими «курильщиками» или вдоль разлома, можно забирать в один объем. Один эластичный купол может располагаться над десятью и более «курильщиками». Кроме того, два-три купола, расположенные на одном уровне над дном, могут быть подключены к одному пароподающему трубопроводу.

Учитывая, что один купол может забирать до 3000-8000 м³/ч горячей пароводяной смеси, этого будет достаточно, чтобы получить работу [8]:

                                              L=1000*G_в∙i∙n, кДж/ч                                                  (1)           

где G_в – количество горячей воды, кг/ч;

i – энтальпия кДж/кг;

n – количество “курильщиков”.

           L=1000*300*2804*10=8412*10⁶ кДж/ч

Количество  выработанной энергии за год будет  равно:

                                                     Е=L∙t, Дж                                                               (2)

 где t – время работы добычной установки в год, ч.

                    Е=8412*10⁶*6400= 53836,8∙10⁶ МДж

Существует  несколько способов передачи такого количества энергии. Но передача на большие расстояния связана с заметными потерями.

На  основании технико-экономических  расчетов было принято два способа  передачи электроэнергии:

- по высоковольтной линии постоянного тока системы HVDC;

- через  Спутник.

Преимущество HVDC — способность передавать большее количество энергии на длинные дистанции с меньшими капитальными затратами и меньшими потерями, чем на переменном токе. В зависимости от уровня напряжения и схемы, потери будут составлять до 3 % на 1000 км. Передача на постоянном токе высокого напряжения позволяет эффективно использовать источники энергии, удаленные от энергоузлов нагрузки. Основываясь на некоторых проектах можно выделить информацию о стоимости проекта HVDC:

- для четырехлинейной системы между Англией и Францией мощностью 8 ГВт, стоимость установочных работ составила около 750 млн. долл., 200-300 млн. долл. - за дополнительные береговые работы [9].

На  основании результатов технико-экономического расчета уровень рентабельности передачи электроэнергии данным методом равен 37 %.

Программа «Энергия из космоса» имеет главной целью  широкомасштабную трансляцию энергии  микроволновым лучом (или иначе - СВЧ: сверхвысокой частоты) [10]. Передача энергии с Земли удаленным потребителям осуществляется путем космической ретрансляции.

Космическая система электропередачи совершенно незаменима, если требуется «перепрыгнуть» через океан. Если исходить из потребления электропроводящих материалов, точка пересечения лежит при дальности передачи около 2500-3500 км. Стоимость разработки и установки космической системы энергопередачи - около 328,5 руб. на 1 кВт (в ценах 1975 г.). Учитывая первоначальные капиталовложения и эксплуатационные расходы, отнесенные энергии, переданной в течение 30 лет, получим стоимость трансляции энергии при коэффициенте загрузки 90%, около 1 цента на 1 кВт∙ч.

Принципиальные  технические задачи, которые нужно  решить при создании космических  энергосистем, следующие:

- генерация  микроволнового СВЧ - излучения; 

- фокусирование  силового СВЧ - луча;

- обратное преобразование  микроволновой энергии в электрический  ток; 

- антенное усиление  и управление силовым лучом; 

- транспортировка  и сборка больших и тяжелых  конструкций в космосе;

- создание принципиально  новых систем выведения (исключая  ИСЗ-ретранслятор, для которого они  не необходимы).

В настоящее время в Японии ведутся разработки по усовершенствованию передачи энергии через космос. Потери энергии уменьшились с 90 % до 60 %.

Учитывая  эти данные и результаты технико-экономического расчета, уровень рентабельности передачи энергии данным способом составил 24 %.

Срок  окупаемости каждого варианта составил 6 лет и 14 лет соответственно.

Библиографический список:

1. Калашников Н.П. Нетрадиционные источники энергии. - М.: О-во “Знание”, 1987 г.

2. University of California - Davis Geothermal Energy Exploration: Deep Drilling For 'Black Smoker' Clues. Science Daily. February 28, 2011

3. Steven Scott Journal of Oceanography, Canada, February 19, 2008.

4. URL: http://acre.murdoch.edu.au/ The Australian Renewable Energy Website.

5. Мусатова И.Н. Новый источник получения энергии. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня “Гидромеханизация”. Выпуск 1. - М.: издательство “Горная книга”- 2009, 480 с.

6. URL: tkz.su

7. Богданов Ю.А. Гидротермальные рудопроявления рифтов Срединно-Атлантического хребта. М.: "Научный мир" - 1997, 166 с.

8. Бендерский Б.Я. Техническая термодинамика и теплопередача. - М, Ижевск: 2007, 122 с.

9. Brown B. HVDC multi-terminal system. October 23, 2008.

10. Краффт А. Эрике Будущее космической индустрии. Перевод с англ. - М.: Машиностроение. 1979, 200 с.