Энергия океанов и морей

Экологически чистая энергия морей и океанов может быть использована в волновых электростанциях (ВолнЭС), электростанциях морских течений (ЭСМТ) и приливных электростанциях (ПЭС), где происходит преобразование механической формы энергии воды в электрическую. Кроме того, имеются энергоустановки, которые используют наличие температурного перепада (градиента) между верхними и нижними слоями Мирового океана, — так называемые гидротермальные электростанции (ГиТЭС), а также разности солености в различных слоях морской воды.

Энергия волн. Так называемая волновая мощность Мирового океана оценивается в 2,7 млрд кВт, что составляет треть потребляемой в мире энергии. Средняя волна высотой 3 м несет примерно 90 кВт энергии на 1 м² побережья. При определении целесообразности размещения ВолнЭС в том или ином месте исходят из плотности приходящей энергии, т. е. ее значения на единицу длины волнового фронта. Например, на ряде прибрежных участков Японии этот показатель составляет до 40 кВт/ч волнового фронта, в районе Гебридских островов (Великобритания) — 80 кВт/ч.

Принцип работы ВолнЭС состоит в преобразовании потенциальной энергии волн в кинетическую энергию пульсаций и пульсаций далее в однонаправленное усилие, которое в последствие приводит во вращение вал электродвигателя. Представлены схемы волновых преобразователей (Н.И. Иванов, И. М. Фадин, 2002 г.).

Волновые электростанции могут быть сооружены непосредственно на берегу, в акватории вблизи берега или в открытом море на различном удалении от берега.

Главным преимуществом ВолнЭС является высокий уровень экологичности. Тем не менее волновой энергетике присущ ряд недостатков: сравнительно низкая концентрация энергии, широкий спектр волновых колебаний, относительное непостоянство в пространстве и времени. Энергия течений. Создание гидроэлектростанций, использующих энергию океанических течений (особенно таких, как Гольфстрим и Куросио), признается одним из перспективных направлений развития океанской (морской) энергетики. Основным элементом таких гидроэлектростанций являются преобразователи, которые подразделяют на водяные и объемные насосы. К водяным насосам относят обычное лопастное колесо и различные его модификации (например, ленточное колесо с жесткими лопастями или устройства типа парашютов, автоматически раскрывающиеся при движении по потоку)'. Объемные насосы — это преобразователи типа сопла Вентури, у которого критическое сечение и срез расширяющейся части сопла соединены с атмосферой трубками. Жидкость в критическом сечении сопла движется со скоростью, большей скорости входящего потока. В результате создается пониженное давление, и воздух засасывается из атмосферы. После выхода из расширяющейся части сопла сжатый воздух поступает в напорную трубу, в которой расположена пневмотурбина. Энергия приливов и отливов. Известно, что уровень Мирового океана периодически колеблется: происходят прилив и отлив. Чередование приливов и отливов происходит ежесуточно через 6 ч 12 мин. Причиной указанного колебания является так называемая приливообразующая сила, которая возникает при гравитационном взаимодействии Земли с Луной и Солнцем. При этом приливообразующая сила Луны в конкретной точке земной поверхности определяется как разность местной силы притяжения Луны и центробежной силы от вращения системы Земля-Луна вокруг общего для этих небесных тел центра тяжести.

Приливы и отливы — источник экологически чистой энергии, огромный и практически неисчерпаемый, не зависящий ни от сырьевых запасов, ни от капризов погоды. Только часть мощности приливов, которая рассеивается на трение и вихревое движение масс воды, составляет около 1 млрд кВт, что соответствует энергетическому потенциалу почти всех рек мира.

Впервые идея использования энергии приливов и отливов была реализована во Франции: в 1967 г. там дала ток первая в мире ПЭС. Годом позже в СССР была пущена Кислогубская ПЭС, несколько отличающаяся от французской. Она была построена в устье реки Ура в 60 км западнее Мурманска, где высота прилива составляет 1,1−3,9 м.

Корпус Кислогубской ПЭС вместе с оборудованием был смонтирован как наплавная конструкция. Далее корпус был отбуксирован к створу губы и установлен на заранее подготовленное место. Установлено, что наплавные конструкции обходятся гораздо дешевле стационарных перемычек (французский вариант).

В России продолжаются работы по созданию более мощных ПЭС. В частности, конструкторы работают над так называемой капсульной машиной с диаметром рабочего колеса 10 м. Имеются и грандиозные проекты освоения энергии приливов в различных частях страны. Так, в Мезенском заливе можно отсечь от моря огромный бассейн плотиной протяженностью 90 км и разместить в ней 800 капсульных гидроагрегатов общей мощностью 15 млн кВт. Энергию ПЭС (50 млрд кВт-ч в год) можно будет направлять в объединенные энергосистемы центра и северо-запада страны. В Охотском море, изолировав 36-километровой плотиной Тугурский залив, можно построить ПЭС мощностью 6,7 млн кВт и получить 16 млрд кВт-ч электроэнергии в год, что эквивалентно мощности очень крупной тепловой или атомной электростанции.

Использование разности температур различных слоев морской воды. Установлено, что средняя разность температур в Мировом океане на поверхности и на глубине 400 м составляет 12 °C.

С целью преобразования энергии, обусловленной перепадом температур, используют системы, построенные: 1) по открытому принципу и одноконтурной схеме, когда в качестве рабочего тела применяется морская вода; 2) по закрытому принципу и двухконтурной схеме, когда применяется промежуточное рабочее тело (фреоны, аммиак, пропан и т. п.).

Принцип действия энергоустановок, использующих второй принцип (закрытый), состоит в следующем. Низкокипящее рабочее тело (например, широко применяемые в холодильной технике теплоносители группы фреонов или аммиак) испаряется в теплообменнике — испарителе за счет подвода теплоты от верхних теплых слоев океана. Пары низкокипящего рабочего тела при повышенных температуре и давлении поступают в турбину, где тепловая энергия теплоносителя преобразуется в механическую энергию вращения турбины. На одном валу с турбиной находится электрогенератор. Из турбины пары рабочего тела поступают в конденсатор, где они переводятся в жидкое состояние в процессе охлаждения водой, подаваемой из нижних холодных слоев океана. Далее рабочее тело подается в насос, откуда после повышения давления оно снова поступает в теплообменник — испаритель. Тем самым замыкается термодинамический цикл преобразования тепловой энергии в электрическую. энергия альтернативный электричество отход Большой интерес представляют установки с открытым контуром, не требующие использования низкокипящих жидкостей. К таковым относятся, например, такие, которые способны одновременно с электроэнергией давать пресную воду. В качестве энергоисточника для привода установки используется разность температур вод океана. Вместо аммиака в схеме с открытым контуром используется морская вода. Вода закипает при пониженных температурах и уменьшении атмосферного давления. При частичном вакууме (давление снижается в 15 раз по сравнению с давлением на уровне моря) вода при температуре 27 °C закипает, образуя пар для вращения турбины. Затем, когда пар конденсируется с помощью охлаждения морской водой с глубины, на Установке получают пресную воду. Показана схема энергоустановки-опреснителя.

Открытый цикл устраняет все проблемы, касающиеся обращения с аммиаком, фреоном и т. п. Пресная вода вырабатывается в качестве побочной продукции.

К основным недостаткам указанных установок относится нарушение теплового равновесия из-за перемешивания теплых поверхностных и холодных глубинных вод, при котором возможны отрицательные последствия для теплолюбивой фауны при изменении абсолютной температуры. Кроме того, содержание диоксида углерода в глубинных водах океана больше, чем в поверхностных, в результате чего он может выделяться в атмосферу и влиять на климатическую обстановку в данном регионе.

Использование градиента солености вод. Проведены теоретические исследования и выполнен цикл опытно-конструкторских работ, подтверждающих возможность создания энергетики, которая основана на перепадах солености вод. В настоящее время оцениваются перспективы масштабного использования указанной технологии и его экологические последствия.