Энергетический потенциал океана

Океан занимает более 70% поверхности Земли. Будучи крупнейшим аккумулятором солнечной энергии, океаны накапливают тепловую энергию «золотого диска»  и производят механическую энергию благодаря волнам и приливам. Хотя Солнце самым непосредственным образом влияет на процессы, происходящие в океане, приливы вызваны гравитационным полем Луны, а волны образуются под действием ветра.

Преобразование тепловой энергии океана

Под преобразованием тепловой энергии океана, или технологией ОТЭС (от англ. oceanthermalenergyconversion), понимается использование теплоты океанских вод для производства электроэнергии.

Данная технология наиболее эффективна, когда температурный градиент – то есть разница в температурах верхнего, теплого слоя и глубоководного, холодного слоя – составляет около 20°С. Такие условия наблюдаются в тропических прибрежных зонах – между тропиком Козерога и тропиком Рака. Для поднятия объемов холодной воды на поверхность в преобразователях тепловой энергии используются дорогостоящие впускные трубы большого диаметра, которые погружаются на глубину около полутора километров.

Некоторые специалисты считают, что если бы технология преобразования тепловой энергии океана была менее затратной, она могла бы соперничать с традиционными методами и произвести миллиарды ватт электроэнергии.

Из истории

Технология преобразования энергии температурного градиента морской воды известна уже довольно давно. Впервые термальную энергию океана предложил использовать французский ученый-физик Жак Арсен Д’Арсонваль в 1881 году. Однако первую установку для получения электроэнергии из океана сконструировал его ученик Жорж Клод. Он построил на Кубе систему мощностью 22 кВт, оснащенную турбиной низкого давления.

В 1935 году Клод установил еще один преобразователь на борту 10-тонного грузового судна, пришвартованного у берегов Бразилии. Однако погодные условия и волны уничтожили обе установки, прежде чем они достигли полезной мощности (т.е. прежде, чем объемы производимой энергии превысили размеры энергии,  затрачиваемой на обслуживание системы).

В 1956 году французские ученые спроектировали установку мощностью 3 МВт в городе Абиджан, столице Кот-д’Ивуара (Западная Африка). Однако она так и не была построена, поскольку требовала слишком больших финансовых затрат.

Вскоре к исследованиям присоединились Соединенные Штаты Америки; в 1979 году была основана Гавайская лаборатория природной энергии, которая впоследствии стала одним из крупнейших научных центров, занимающихся изучением возможностей получения электроэнергии из глубин океана.

Технологии преобразования температурного градиента морской воды

Существуют три основных технологии преобразования тепловой энергии океана: замкнутого цикла, открытого цикла и комбинированная.

Системы замкнутого цикла

В системах замкнутого цикла для приведения в движения турбин используются жидкости с низкими температурами кипения – например, аммиак. Теплые поверхностные воды прокачиваются насосом через теплообменник и превращают рабочее вещество в пар повышенного давления. Расширяясь, пар вращает лопасти турбин, которые соединены с генераторами. Далее холодная вода из глубин океана, прокачиваемая через второй теплообменник, приводит к конденсации пара, который снова подается на нагрев в испаритель.

В 1979 году Лаборатория природной энергии в сотрудничестве с рядом частных предпринимателей разработали малую экспериментальную установку замкнутого цикла, которая достигла полезной мощности. Система была установлена в 2,5 километрах от Гавайского побережья и производила достаточно электроэнергии для обеспечения освещения и работы компьютеров и телевизоров на корабле, на котором она была размещена. В 1999 году специалисты Лаборатории ввели в эксплуатацию экспериментальный преобразователь мощностью 250 кВт, который стал самой крупной функционирующей установкой на данный момент.

Системыоткрытогоцикла

В системах открытого цикла для производства электроэнергии также используется теплая поверхностная вода океана, подаваемая в испаритель через деаэратор, освобождающий ее от растворенных в ней газов. Попадая в емкость с низким давлением, вода начинает кипеть. Расширяющийся пар приводит в движение турбину низкого давления, соединенную с электрогенератором. Пар, не содержащий солей, конденсируется обратно в практически абсолютно чистую пресную воду под воздействием низких температур глубинных океанических вод.  

В 1984 году специалисты Института исследования солнечной энергии (нынешней Национальной лаборатории изучения возобновляемых источников энергии) разработали испаритель с вертикально расположенным трубопроводом для  преобразования теплой воды в пар низкого давления. Эффективность преобразования энергии достигала в отдельных случаях 97%. В мае 1973 года в самой западной точке острова Гавайи – Кихоул-Пойнт – была сконструирована установка открытого цикла, которая произвела около 50 000 ватт электроэнергии за период своей эксплуатации.

Комбинированные системы

Комбинированные преобразователи тепловой энергии океана обладают свойствами систем и открытого, и замкнутого циклов. В комбинированных установках теплая морская вода поступает в вакуумную камеру, где превращается в пар, что схоже с системой испарения открытого цикла. Пар нагревает жидкость с низкой температурой кипения, которая в газообразном состоянии приводит в движение лопасти турбины (как в системе замкнутого цикла).

Альтернативные возможности использования

Технология преобразования температурного градиента морской воды может использоваться не только для производства энергии. Так, отработанная вода из конденсатора может охлаждать воду в  теплообменнике или сразу поступать в систему охлаждения. Такой простой механизм уже несколько лет обеспечивает кондиционирование воздуха в зданиях Гавайской лаборатории природной энергии.

Кроме того, технология ОТЭС используется и в сельском хозяйстве для охлаждения почв. Когда холодная вода движется по подземному трубопроводу, она снижает температуру окружающей почвы. Разница температур корней и листьев позволяет многим растениям, изначально адаптированным к умеренному климату, прижиться и в субтропическом регионе. При Гавайской лаборатории расположена небольшая экспериментальная  теплица, в которой выращивается более 100 разновидностей овощей и фруктов, нехарактерных для климата Гавайев.

Аквакультура – технология разведения и выращивания водных организмов – также является популярной сферой применения технологии ОТЭС. Холодноводные рыбы и ракообразные – например, лосось и омары – прекрасно чувствуют себя в богатой питательными веществами воде из глубин океана. Микроводоросли (например, спирулина – популярная пищевая добавка) также могут выращиваться в глубинной морской воде.

Наконец, еще одним достоинством преобразователей термального градиента воды является их способность опреснения соленой воды. Теоретически установка мощностью 2 МВт может производить около 4300 кубометров пресной воды каждый день.

Экологические и экономические факторы

В общем и целом, правильный выбор места для размещения установки ОТЭС является гарантом минимального воздействия на окружающую среду. Ученые считают, что равномерное распределение преобразователей в тропической зоне океана может устранить практически все возможные негативные последствия изменения температуры воды и морской жизни.

Дальнейшее развитие технологии преобразования тепловой энергии океана требует значительных капиталовложений. Исследователи опасаются, что представители частного сектора начнут инвестировать в эту область лишь тогда, когда стоимость ископаемых видов топлива подскочит или когда государство создаст необходимые стимулы. Еще одним препятствием промышленному внедрению технологии является то, что в тропической зоне всего лишь несколько сотен мест, где возможно сооружение рентабельных станций ОТЭС.

Энергияприливов

Энергия приливов используется человечеством с самых давних времен. В прибрежных зонах море дважды в день достигает высокой точки берега (прилив) и нижней точки (отлив). Чтобы преобразовать энергию водных потоков в электроэнергию, необходимо чтобы амплитуда приливно-отливных колебаний составляла по меньшей мере 5 метров. Однако на Земле найдется максимум 40 мест, где разница между приливом и отливом достигает этой отметки. Особо благоприятными для строительства приливных электростанций считаются Тихоокеанский северо-запад и Атлантический северо-восток.

Методы использования приливной энергии

К основным средствам преобразования энергии приливов относят плотины и дамбы, приливные заборы, а также приливные турбины.

Плотиныидамбы

Плотины или дамбы используются для производства электроэнергии путем направления приливных течений через турбины, которые приводят в действие электрогенераторы. Заграждение делит область прилива на верхний и нижний бассейны. В его корпусе устанавливаются шлюзы и турбины. Когда разница в уровне воды по обеим сторонам плотины достигает необходимой отметки, шлюзы открываются. Вода попадает на лопасти турбины, которые начинают вращаться и приводят в действие генераторы, вырабатывающие электричество.

Приливныезаборы

Приливные заборы напоминают ряд огромных турникетов. Они могут простираться на расстоянии между двумя небольшими островами или в проливах, отделяющих остров от материка. «Турникеты» вращаются благодаря приливным потокам, характерным для прибрежных зон. Скорость течения может достигать 5-8 узлов (6-9 миль в час) – в таком случае турбогенераторы производят гораздо больше энергии, чем ветра с большей скоростью, поскольку плотность жидкости больше, чем воздуха.

Приливныетурбины

Приливные турбины во многом схожи с ветряными. Их устанавливают в ряд под водой, на глубине 20-30 метров. Наиболее эффективно турбины функционируют, когда скорость течения достигает 3,6-4,9 морских узлов (4-5,5 миль в час). При такой скорости приливные турбины диаметром около 15 метров производят столько энергии, сколько вырабатывает ветряная турбина 60 метров в диаметре.

Экологическиеиэкономическиефакторы

Приливные электростанции, преграждающие устья рек, могут нарушить миграционные пути морских рыб, а ил, скапливающийся в зоне расположения плотин, может отрицательно сказаться на местной экосистеме. Приливные заборы также представляют опасность для свободного перемещения морских обитателей. Среди всех гидроагрегатов, используемых в конструкции приливных станций, наиболее безопасными считаются современные турбины, которые не блокируют путей миграции морской фауны.  

Стоимость эксплуатации приливных электростанций невелика, однако их строительство требует значительных затрат, что приводит к увеличению срока окупаемости. В результате стоимость электроэнергии, производимой с помощью ПЭС существенно выше, чем электричества, получаемого с помощью ископаемых видов топлива. 

Энергия волн

В основе работы волновых энергетических станций лежит преобразование энергии, вырабатываемой благодаря ударной силе поверхностных волн или колебанию давления в глубине океана. Специалисты в области возобновляемых источников энергии считают, что океанические волны могут произвести до 2 тераватт электричества.

Однако далеко не везде можно эффективно использовать энергию волн. Наиболее подходящим для строительства волновых энергетических установок считается западное побережье Шотландии, юг Африки, Австралия, а также северо-восточное и северо-западное побережья США. По оценкам специалистов, на Тихоокеанском северо-западе можно получить 40-70 кВт на 1 метр береговой линии.

Технология преобразования энергии волн

Волновая энергия может быть преобразована в электрическую при помощи офшорных (расположенных в открытом море) и прибрежных систем.

Офшорные системы

Офшорные системы размещаются в открытом море на глубине более 40 метров. Высокотехнологичные устройства – как, например, «утка Солтера» – используют ударную силу волн для производства электроэнергии. В волновых преобразователях энергии используются гибкие трубопроводы, соединенные с поплавками на поверхности моря. Приподнимаясь и опускаясь, поплавки попеременно натягивают и сжимают трубы, создавая, таким образом, разницу давления, которая заставляет вращаться турбины.

Прибрежные системы

Устанавливаемые вдоль береговой линии, прибрежные энергосистемы преобразуют энергию прибоя. Кнаиболеераспространённымволновымустановкамотносят:

Колеблющийсяводянойстолб

Установка под названием «колеблющийся водяной столб» (или «колонна») представляет собой гигантскую камеру из стали или бетона, нижняя открытая часть которой погружена под воду. Внутренняя часть колонны содержит воздух над столбом воды. Волны, попадая в сооружение, вызывают подъем и уменьшение уровня воды и, соответственно, последовательное сжатие и расширение воздуха. Воздух выходит через турбины, прикрепленные к генератору, и возвращается обратно, когда давление падает.

Системыклиновидныхканалов

Для установки систем клиновидных каналов требуется резервуар, расположенный у берега на возвышении – чуть выше уровня моря. В него ведет конический канал: его широкая часть находится в океане, узкая – у резервуара. По мере сужения канала волны, попадающие в него, увеличиваются в высоте и попадают в хранилище. Водапроходитчерезтурбинугенератора, производящегоэлектричество.

Маятниковое волновое устройство

Маятниковое волновое устройство представляет собой большой прямоугольный короб, один конец которого открыт для воды. С открытой стороны есть заслонка, которая раскачивается вперед-назад под действием волн. Движение этой заслонки приводит в действие гидравлический насос, соединенный с электрогенератором. Маятниковые устройства находятся сейчас на стадии тестирования.

Экологическиеиэкономическиефакторы

Как и в случае с преобразователями тепловой энергии океана, залогом минимального воздействия на окружающую среду является правильный выбор места размещения волновой электростанции. Волновые энергоустановки не должны портить живописные пейзажи береговой линии или изменять режимы передвижения придонных океанических масс.

С экономической точки зрения волновым электростанциям трудно соперничать с традиционными источниками энергии. Однако стоимость преобразования волновой энергии постепенно падает. Некоторые европейские ученые предсказывают, что в будущем производство волновых энергоустановок станет прибыльным видом деятельности. Функционирующие системы конверсии энергии волн не требуют больших затрат на эксплуатацию и обслуживание, поскольку топливо (морская вода), на котором они работают, абсолютно бесплатно.