Альтернативная энергетика

7.5.2. Энергия Мирового океана

Сегодня выделяют пять основных возобновляемых источников энергии Мирового океана: течения (потенциальный запас энергии – около 0,05 Тераватт (т.е. 0,0510¹² ватт); волны – 2,7 ТВт; приливы – 0,03 ТВт; температурный градиент – 2,0 ТВт; градиент солености – 2,6 ТВт. Напомним, что суммарная мощность всех электростанций земного шара составляет примерно 1 ТВт (в настоящее время). К началу XXI столетия эффективней всего научились использовать лишь энергию приливов.

Такие установки выполнялись путем образования бассейна при перекрытии плотинами небольших бухт, где располагались мельничные колеса, работавшие в период отлива, диаметры которых достигали 6 м. В Англии подобная установка под арками Лондонского моста с 1580 г. в течение 250 лет качала пресную воду для водоснабжения.

Особенностью приливных электростанций является использование ими естественно возобновляемой энергии морских приливов, природа которых связана с приливообразующей силой, возникающей при гравитационном взаимодействии Земли с Луной и Солнцем. Для водной оболочки Земли практическое значение имеет лишь горизонтальная составляющая приливообразующей силы. Из-за близости Луны к Земле величина прилива под воздействием Луны в 2,2 раза больше солнечного. На побережьях морей и океанов наиболее часто встречается полусуточный прилив, у которого за лунные сутки (24 часа 50 мин) максимальная волна прилива приходит дважды.

Величина прилива А определяется разностью уровня воды при максимальном подъеме и минимальном снижении за период прилива. Максимальное отклонение от среднего уровня моря называют амплитудой прилива, равной 0,5 А. Амплитуды и формы приливно-отливных волн на разных побережьях мирового океана существенно различаются, что связано с такими факторами как глубины, конфигурация береговой линии и др.

Неравномерность приливных колебаний в течение лунного месяца характеризуется изменением величины прилива от А_МАКС (сизигия) до А_МИН (квадратура). Закономерность изменения приливов внутри месяца, вызванная движениями Луны и Солнца, остается практически неизменной для всех лунных месяцев года. Среднее значение величины прилива для всех одноименных суток лунного месяца также является практически неизменной в годовом и многолетнем разрезах. Энергия приливной волны является функцией от величины прилива. Отличительной особенностью приливной энергии является неизменность величины среднемесячной энергии для любого года.

Величины приливов на морских побережьях различны. Так, максимальная величина прилива, составляющая Амакс=19,5 м, наблюдалась в Канаде в заливе Фанди на побережье Атлантического океана; Амакс=16,3 м – в Англии в устье р.Северн, Амакс=14,7 м – на севере Франции, Амакс=11,0 м – в России в Пенжинском заливе Охотского моря.

Для создания ПЭС необходимы благоприятные природные условия, которые включают: большие приливы (А > 3-5 м); контур береговой линии (желательно с образованием залива), позволяющий отделить от моря бассейн для работы ПЭС при минимальной длине и высоте перегораживающей плотины, благоприятных геологических условий ее основания.

Энергетические параметры ПЭС с полусуточным приливом определяются как: Э = 1,97 А²ср F, N = 225 . 10^-6 А²ср F , где Э – выработка энергии в год в кВт. ч; N – средняя мощность в кВт; Аср – среднеквадратичная амплитуда за лунный месяц в м; F – средняя площадь поверхности бассейна в пределах приливных колебаний уровня в м². Реальные условия со сработкой и заполнением бассейна в течение длительного времени при перепадах меньше Аср существенно отличаются от идеальных и фактические величины N и Э будут меньше в 2-4 по сравнению с полученными по приведенным формулам.

Общий потенциал приливной энергии во всем мире ориентировочно оценивается по мощности около млрд.кВт, а по выработке – 1240 млрд.кВт.ч , в том числе в России – около 200 млрд.кВт.ч.

Во Франции в эстуарии р. Ранс, г. Сен-Мало, с 1967 г. работает приливная электростанция мощностью 240 МВт (высота прилива 10 м), которая производит 60 МВт энергии, в России – с 1968 г. Кислогубская ПЭС мощностью 0,4 МВт, в Канаде – с 1984 г. ПЭС Аннаполис мощностью 20 МВт и др.

В мире существует всего 24 точки, где можно поставить приливные электростанции, т.е. данный энергоресурс довольно ограниченный. Это – некоторые районы Ла-Манша, Ирландии, побережье Северной Америки, Австралии, несколько участков побережья Белого и Баренцева морей.

Перспективнейшим для сооружения приливной электростанции является побережье Канады в заливе Фанди, где высота прилива достигает 16,2 м (возможная мощность – около 3800 МВт). Американские ученые считают, что в океане содержится около 3 ТВт энергии приливов, но пока практически можно использовать лишь около 0,03 ТВт.

Считается вполне возможным использование океанских течений (Гольфстрим в Атлантике, Куросио в Тихом океане), скорость которых составляет от 1 до 2,5 м/с, а теоретическая мощность от 15 ГВт (Гольфстрим) до 50 ГВт (Куросио). Предполагают, что общая мощность океанских течений составляет не менее 100 ГВт.

Наиболее перспективным и наиболее освоенным источником океанской энергии считается энергия, выделяющаяся в процессе смешения соленых морских вод с пресными дождевыми и речными водами, энергия градиента солености. Разность осмотического давления между пресной и соленой водой составляет около 24 кг/см², что по концентрации энергии эквивалентно давлению столба высотой 240 м. В Мертвом же море, где вода суперсоленая, концентрация энергии градиента солености сравнима с давлением водяного столба высотой 5000 м. Запасы этой энергии определяют по скорости испарения воды с поверхности океана и последующего ее выпадения обратно в океан. С поверхности океана за год испаряется слой воды толщиной 1,3 м. Объем испаряющейся воды (Q) составляет 1,210⁷ м³/с. При осмотическом давлении =2410⁴ кг/м² мощность этого источника энергии определяется Р =   Q=30 ТВт.

Так как многие крупные города расположены в устьях рек, использование градиентов солености в качестве источника энергии является перспективным.

Тепловая энергия океана (температурный градиент) также в перспективе может эффективно использоваться с помощью термоэлектрических генераторов, работающих на перепадах температур. Разница температур поверхностных и глубинных вод особенно велика в районах теплых течений и может достигать 20-22 С.

Первыми предложили использовать тепловую энергию океана французские ученые (физик Д'Арсонваль, 1881 г., ОТЭС сконструирована и апробована на Кубе в заливе Матансас). В 1929 г. ученик Д’Арсонваля Жорж Клод создал другую систему и испытал ее, но вскоре станция была разрушена.

Принцип работы ОТЭС – это попеременное использование слоев воды с разной температурой для кипячения и конденсации рабочей жидкости, например, жидкого аммиака или пропано-фреона, когда в промежутках пары этой жидкости при высоком давлении должны вращать турбину (рис.7.13). Теплая поверхностная вода используется для превращения рабочей жидкости в пар, вращающий турбину с электрогенератором. Для конденсации паров в другом теплообменнике используют поданную насосами холодную воду с глубины океана. Конденсированная жидкость далее снова подается в первый теплообменник, нагревается, превращается в пар и цикл повторяется. Идет непрерывная выработка электроэнергии. Так как процесс осуществляется в море, проблему может составить прокладка и содержание электрокабелей на дне океана, а также тот факт, что труба для станции, к примеру 10 МВт должна быть погружена в глубины океана на несколько сотен метров, а ее диаметр должен быть около 15 м. Удержать в устойчивом положении такой агрегат против толчков и давлений волн и течений будет очень сложной задачей.

Рис. 7.13 - Схема океанической термоэнергетической установки с замкнутым циклом

Считают, что на базе ОТЭС могут быть созданы плавучие заводы с энергоемкими электрохимическими процессами – производством аммиака, алюминия, водорода, кислорода, метанола.

Кроме США, работы по созданию ОТЭС проводятся в Японии, Великобритании, Индии, а также в рамках европейской программы “Евроушен” 26 компаниями Франции, Нидерландов, Швеции и Италии.

В странах СНГ, по сравнению с упомянутыми выше государствами, масштабы исследований в области создания и использования ОТЭС очень скромные.

Негативные экологические последствия от функционирования ОТЭС: беспокойство, помехи, а иногда и разрушительные действия станций, оборудования, трубопроводов и электропроводов, если они сосредоточены в местах обитания или на путях миграции рыб и других гидробионтов в шельфовых зонах океанских побережий, загрязнение водной среды бытовыми отходами электрокомплекса; станции не занимают земли на суше, но занимают значительные площади в море, и это скажется там, где жизнь в прибрежной зоне активна и многообразна.

Для производства электроэнергии может быть использована, наконец, энергия океанских волн.

Специалисты подсчитали, что в океанских волнах содержится около 3 ТВт энергии. Обычная волна в Северном, Японском морях или в Бискайском заливе содержит 40 кВт энергии на каждый литр. Но таких районов в Мировом океане, где волны активны и их эффективно можно использовать для преобразования в электроэнергию, имеется весьма ограниченное количество – у берегов Англии, Японии, Камчатки, несколько менее – в Черном море. Оценка энергозапасов волн производится на основании большого объема измерений параметров волнения специальными приборами – волнографами.

Океанографы России и США в морских экспедициях получили подтверждение фактам, на которые указывали древние мореплаватели, в том числе Джеймс Кук, что высота штормовых волн в Северной Атлантике может достигать 20-25 м. Иногда моряки (танкер “Романо”, США, 1933 г.) встречали волны высотой 36 м! Такие волны, по подсчетам проф. Н.В. Вершинского, на 1 м своего фронта содержат до 70 МВт энергии, т.е. столько, сколько вырабатывает средняя электростанция.

Для Черного моря удельная мощность составляет 8 кВт/м, Каспийского – 11, Баренцева – 29, Охотского – 20, Балтийского – 8 кВт/м. Новейшие методы измерений параметров волн, в том числе с помощью стереофотосъемки и дистанционной съемки, показывают, что высота наибольших волн не превышает 25-30 м в океанах и 15-20 м – в отдельных морях.

Первый в мире патент на устройство, использующее энергию волн, получили французы – отец и сын Жерары в 1799 г. Первая действующая установка была запущена американцами в 1889 г. на побережье недалеко от Нью-Йорка и давала электричество для насосов, закачивающих воду в водонапорную башню. К середине 20-х годов ХХ ст. было зарегистрировано более 1000 заявок на способы преобразования энергии волн и соответствующую аппаратуру, сделано много докладов и сообщений на международных конференциях.

В настоящее время наиболее распространен тип волновых электростанций, работающих на принципе “осциллирующий водный столб” (автор – японский морской офицер И.Масуда, 1965 г.). В 1978 г. под руководством И.Масуды в Японии создан крупномасштабный макет установки “Каймей”. Эта установка размещена на барже водоизмещением 500 т, длиной около 80 м, шириной 12 м. В днище баржи – ряд отверстий для прохода волн в 22 воздушные камеры. На борту – 10 пневмоволновых электрогенераторов мощностью по 125 кВт различных типов ( японских – 8, английских – 2), а также двунаправленный пневмоволновой электрогенератор “Мак-Кормик” (США, профессор Морской академии М.Мак-Кормик). Сейчас в США ведутся интенсивные испытания различных модификаций установок типа “Мак-Кормик”, ведутся аналогичные разработки в Норвегии, Ирландии, Японии.

В бывшем СССР первые испытания волновых насосов были осуществлены в 1936 г. (инж. А.Г. Блинов). Позже выполнялись разработки с использованием линейных индукционных генераторов, гибких оболочек, пьезоэлементов. В настоящее время в СНГ эти работы и испытания практически приостановлены.

В США в последнее время разрабатываются двигатели для автомобилей, работающие на водороде. Специальный аккумулятор, наполненный поглощающими водород пористыми веществами, запасает необходимую энергию. Жидкий водород в таких двигателях является заменителем бензина. После сжигания водорода в кислороде образуется вода. Специальная камера в аккумуляторе регулирует расход водорода изменением температуры. Двигатель экологически безопасен.

Предполагают, что в будущем перевод автотранспорта и авиации на водородное топливо позволит значительно очистить атмосферу от СО, СО₂ и других компонентов выхлопных газов современных бензиновых двигателей, а замена обычного горючего газа на водород решит проблему теплоснабжения городского и сельского населения. Пока стоимость использования водородных двигателей вдвое дороже обычных, но технологии его изготовления и применения совершенствуются и удешевляются.

В индустриально развитых странах (за исключением Германии и Японии) правительства под воздействием мощных нефтяных и газовых компаний, а также автомобильных концернов, концернов по выработке энергии из других традиционных источников, для которых такой новый вид топлива, как водород, является опасным конкурентом, не выделяют достаточного количества средств для изучения и развития этого вида энергетики. В Германии же и Японии, в Южной Аравии на исследования в области использования водорода тратится средств в восемь раз больше, чем, например, в США, построены заводы по производству водорода (гелио-водородные заводы).

Специалисты прогнозируют, что в ближайшие 40-50 лет произойдет гелио-водородная революция, результатом которой будет активный переход энергетических компаний на водородное топливо – экологически безопасное, практически неисчерпаемое и имеющее ряд других преимуществ, а также переход на водородные смеси типа гитана (Н₂+СН₄ – 15 и 85%).

Одним из проектов, разработанных в Австрии, предусматривается использование энергии, заключенной в ледниках Гренландии. При помощи зачернения поверхности льда вызывается его интенсивное таяние. Это изменяет тепловой баланс, увеличивая поглощение солнечного света. Электроэнергия, вырабатываемая при этом, будет передаваться на континент по подводным кабелям и использоваться для получения водорода из воды путем электролиза.

Так называемые искусственные луны могут найти ряд ценных народ­нохозяйственных применений. Выведенные на орбиту искусственного спутника Земли, такие рефлекторы могут продлить на несколько часов све­товой день, что будет способствовать повышению урожайности сельскохо­зяйственных культур. Спутники-рефлекторы могут обеспечить высокока­чественное освещение улиц больших городов, транспортных магистралей, мест, где ведутся работы в ночное время, например крупных строек, кол­хозных и совхозных полей в период посевной и уборочной кампаний, рай­онов стихийных бедствий во время спасательных операций.

Будущий облик орбитальных осветительных систем в общих чертах уже проработан исследователями. Такие системы напоминают упакован­ный зонтик, автоматически раскрывающийся после доставки на орбиту. Поверхностью, отражающей свет, послужит, вероятно, полимерная метал­лизированная пленка. При надлежащей организации научных исследова­ний и опытно-конструкторских работ первые образцы космических реф­лекторов могут быть созданы в ближайшем десятилетии.

В Московском авиационном институте им. С. Орджоникидзе создается проект проведения орбитального эксперимента со спутником-рефлектором массой не более 200 кг и площадью 110 м². Такой эксперимент предназна­чен для проверки технических решений, заложенных в основу построения космического рефлектора будущего. Освещенность на наземном приемни­ке диаметром 10 км должна быть в семь раз интенсивнее, чем ночью в пол­нолуние (около 1,5 лк). Уже созданы экспериментальные наземные уста­новки, демонстрирующие процессы раскрытия спутника-рефлектора и управления формой его поверхности.

Однако одновременно с разработками необходимо проводить изуче­ние экологических последствий применения космических рефлекторов и выработать рекомендации по их рациональному использованию

Имеются проекты по использованию энергии молний, использованию магнитного поля Земли, использованию для выработки электричества сероводорода, находящегося в огромных количествах в, так называемой, сероводородной зоне Черного моря (ниже глубины 150 м (в среднем) и до самого дна). Но, последние пока еще далеки от реализации в таких масштабах, как гелиоэнергетика, ветроэнергетика, биоэнергетика или энергия океана.