Энергия мирового океана
Океан - это колоссальный аккумулятор солнечной энергии. Солнечная энергия, падающая на поверхность океана почти в 2,5 раза больше, чем на поверхность суши.
Океан аккумулирует огромное количество тепловой энергии, частично передаваемой в атмосферу путем испарения. Океанские энергоустановки могут использоваться для обеспечения энергией островов и прибрежных районов, электропитания автономных океанологических станций, средств океанотехники и технологических предприятий в удаленных точках океана.
В таблице 1 приведены основные виды источников энергии при использовании энергии океана.
Таблица 1.
Из указанных источников энергии океана практически используется энергия приливов.
Приливные электростанции используют приливы и отливы, которые последовательно чередуются через 6 часов 12 минут. Особенностью ПЭС является то, что гидротурбины могут работать и на прилив и на отлив т.е. при переменных направлениях.
Первая приливная электростанция (ПЭС) была построена в 1967 г. в устье реки Ране во Франции на приливах высотой до 13 метров работает ПЭС мощностью 240 тыс. кВт с годовой отдачей 540 тыс. кВт*ч. Советский инженер Бернштейн разработал удобный способ постройки блоков ПЭС, буксируемых на плаву в нужные места, и рассчитал рентабельную процедуру включения ПЭС в энергосети в часы их максимальной нагрузки потребителями. Его идеи проверены на ПЭС, построенной в 1968 году в Кислой Губе около Мурманска; своей очереди ждет ПЭС на 6 млн. кВт в Мезенском заливе на Баренцевом море.
Ученые работают над проектом, в котором будет применяться естественный поток соленой океанической воды в мощном электромагнитном поле сверхпроводящих магнитов. Приливные движения носят периодический и практически неизменный характер.
Большое внимание в мире уделяется созданию океанических тепловых ЭС, использующих разности температур между поверхностными и глубинными слоями воды.
В какой-то мере аналогичными, но как пока кажется, вероятно, более далекими представляются перспективы получения электроэнергии за счет различия между соленой и пресной, например морской и речной водой.
Идея преобразования тепла океана в электрическую принадлежит физику Арсонвалю в 1881 году - создание установок 2-х типов замкнутого цикла с промежуточным рабочим телом и открытого цикла, работающего на морской воде. ОТЭС работает по замкнутому циклу Ренкина (Рис.5 -2).
Теплые поверхностные воды прокачиваются насосом через теплообменник испарителя, превращая в пар рабочее тело с низкой температурой кипения (аммиак, фреон, пропан). Пар повышенного давления проходит через турбину в холодильник, где конденсируется при контакте с поверхностями другого теплообменника, охлаждаемыми путем прокачки холодной воды, поднимаемой по трубам с помощью насоса с глубины 700-900м. Эффективность ОТЭС составляет не более 25 %. В 1982 году была введена в действие ОТЭС берегового базирования, работающая на разности температур морской воды, поступающей из системы охлаждения дизеля и холодной морской воды с глубины 370 м. и температурой 140 С. Мощность которую можно без ущерба для человека забрать у океана позволит в год выработать около 1 х 105 млрд.кВт.ч, что только в три раза меньше мирового энергетического потребления прогнозируемого на 2020 год.
Создана ОТЭС работающая на перепаде температур между холодной талой водой айсберга и теплой водой тропического океана. Это станция замкнутого цикла у которой испаритель установлен в океане, а конденсатор в бассейне с пресной водой, образованно во льду на поверхности айсберга.
Учеными разработаны проекты волноломов со встроенными в них воздушными преобразователями, использующими энергию набегающих волн. Волна высотой 36м. только на 1 метре своего фронта содержит 70 МВт -мощность средней электростанции. Энергозапасы волнения в нашей стране составляют для Черного моря удельная мощность 8 кВт/м, Каспийского - 11, Баренцева-29, Балтийского - 8, Охотского - 20. Недостаток использования этого метода — низкая концентрация энергии, ее непостоянство в пространстве и времени, широкий спектр колебаний, агрессивность океанской среды и трудность в передаче ее на берег.
Энергия встречи морской и речной воды является потенциальным источником экологически чистой соленостной энергии, запасы которой превосходят гидроэнергетические ресурсы всех рек. В этом случае нет необходимости сооружать плотины и дамбы. Достаточно подвести речные и морские воды к технологическим установкам, преобразующим осмотическую энергию в электрическую. Вместо дамб используется труба верхний конец которой находится выше приливного уровня океана, а через нижний конец речная вода, пройдя погружную турбину гидроэлектростанции, в результате осмоса откачивается в море через полупроницаемую мембрану.
Геологи открыли так называемый газогидра – горючее ископаемое (соединение газа и воды) Они составляют 9/10 дна мирового океана и охватывает значительную часть суши. По прогнозам в 2020 году удастся заменить 2600 млн тонн условного топлива.
Еще одно очень интересное направление - океанская биоэнергетика, позволяющая «выращивать» топливо в океане: выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей келп, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа.
Огромное количество солнечной энергии накапливают бурые водоросли, которые в естественных условиях вырастают на 60 см .в день, достигая общей длины 60м. Процесс производства газов из зеленой массы водорослей осуществляется в специальных метантенках с последующим его сжиганием для получения электроэнергии. 1 га подобной фермы может обеспечить пищей и энергией 12 человек в течение года, при этом плантацию не нужно засаживать вновь. Также к их достоинству можно отнести их абсолютную экологическую чистоту.
Уже немало инженерного искусства вложено в макеты генераторов электроэнергии, работающих за счет морского волнения, причем обсуждаются перспективы электростанций с мощностями на многие тысячи киловатт.
Еще больше сулят гигантские турбины на таких интенсивных и стабильных океанских течениях, как Гольфстрим.
Не так давно группа ученых океанологов обратила внимание на тот факт, что Гольфстрим несет свои воды вблизи берегов Флориды со скоростью 5 миль в час. Идея использовать этот поток теплой воды была весьма заманчивой. Смогут ли гигантские турбины и подводные пропеллеры, напоминающие ветряные мельницы, генерировать электричество, извлекая энергию из течений и воли? "Смогут" - таково в 1974 году было заключение Комитета Мак-Артура, находящегося под эгидой Национального управления по исследованию океана и атмосферы в Майами (Флорида). Общее мнение заключалось в том, что имеют место определенные проблемы, но все они могут быть решены в случае выделения ассигнований, так как "в этом проекте нет ничего такого, что превышало бы возможности современной инженерной и технологической мысли".
Один из ученых, наиболее склонный к прогнозам на будущее, предсказал, что электричество, полученное при использовании энергии Гольфстрима, может стать конкурентоспособным уже в 80-е годы.
В то же время вопросы использования течений является проблематичным, т.к. изменение течений может изменить микроклимат.
Существуют также волновые электростанции (Япония) удобных для обеспечения энергией маяков (плавучих).
В океане растворено огромное количество солей. Может ли соленость быть использована, как источник энергии? Может. Большая концентрация соли в океане навела ряд исследователей Скриппского океанографического института в Ла-Колла (Калифорния) и других центров на мысль о создании таких установок. Они считают, что для получения большого количества энергии вполне возможно сконструировать батареи, в которых происходили бы реакции между соленой и несоленой водой.
Запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 106 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается колоссальной величиной. Однако пока что люди умеют утилизовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.
В настоящее время в связи с непрерывным ростом энергозатрат, повышением стоимости и недостатком топлива все большее внимание уделяется возобновляющимся источникам энергии. Использование возобновляющихся источников энергии значительно экономит топливно-энергетические ресурсы страны будет способствовать охране окружающей среды. Применение возобновляющихся источников энергии в настоящее время идет по нескольким направлениям: использование солнечной энергии ветра, отходов производства и тепла земли. Комплексное использование возобновляющихся источников энергии способствует экономии традиционных видов топлива и ликвидирует пробелы в графиках энергопотребления. Все возобновляющиеся энергетические ресурсы являются производными энергии солнца.
МГД -генератор
Весьма перспективными являются энергетические установки, преобразующие одни виды энергии в другие нетрадиционными способами с высоким КПД.
Тепловую энергию в электрическую преобразует магнито-гидродинамический генератор (МГД), который относится к перспективным устройствам (рис5).
Плазма (ионизированный газ) с добавкой легко ионизирующего вещества (~1 % Nа или К) поступает в канал МГД - генератора при 3000 °С и разгоняется в нем. Электропроводная плазма пересекает силовые линии магнитного поля, при этом положительные ионы отклоняются в одну, а отрицательные — в другую сторону. Концентрация положительных и отрицательных ионов на металлических пластинах придает им положительный или отрицательный потенциал; пластины становятся источником ЭДС. При замыкании электродов на внешнюю цепь возникает ток. КПД ТЭС с МГД-генераторами =60 % .
Рис.2. Схема МГД-генератора:
1 — камера сгорания; 2 — МГД-канал; 3 — магнитная система; 4 — электроды
Последовательность работы воздушных волновых генераторов на волнении: 1 – генератор; 2 – воздушная турбина; 3 – клапан; 4 – выход воздуха.
Рис. 7. Проект океанской энергетической фермы: 1 — судно-сборщик водорослей; 2 — жилые помещения и хранилище газов; 3 — вертолетная площадка; 4— плантация водорослей; 5 — волновой насос для глубинной воды; 6 — буй; 7 — полипропиленовые канаты для крепления водорослей; 8 - подруливающая система; 9 — глубоководный трубопровод; 10— структурный элемент крепления канатов.