Міністерство транспорту та зв’язку України
Дніпропетровський національний університетзалізничного транспорту ім.ак. В.А.Лазаряна
Кафедра: "Гідравліки та водопостачання"
Реферат
На тему:
"Океан как источник энергии"
Виконав:
студент 655 групи
Иванов Д.А.
Перевірив:
Мельник І.Є.
Дніпропетровськ 2005
Океан как источник энергии
Океаны покрывают более 70% поверхности Земли и являются самыми большими в мире коллекторами солнечной энергии. Потенциал океанов в энергетике велик. Для сравнения, плотность энергии солнечной радиации - 1400 Вт/м², энергии ветра - 1700 Вт/м², а тепловой энергии океанов тропических широт – 300 000 Вт/м²!
Тепловые станции в тропиках
Имеются и другие океанические возобновляемые источники энергии: биомасса и водород, волны и течения, разность в солености морской и речной воды – однако потенциал применения тепловой энергия океанов наиболее велик.В отличие от других возобновляемых источников, тепловая энергии океана по своему энергетическому потенциалу сопоставима с безграничными возможностями поставок первичной тепловой энергии, ожидаемых от термоядерного синтеза. Энергетические объекты мощностью в 1 ГВт могут представлять собой мобильные установки водоизмещением около 100 000 т. В тропической части океанов возможна работа десятков тысяч таких тепловых электростанций практически в непрерывном режиме".
Сергей Хайтун, кандидат физико-математических наук, в.н.с. Института истории естествознания и техники РАН (ИИЕТ РАН), на вопрос о том, как наука смотрит на процесс утилизации тепловой энергии океана, отвечает, что наука свое мнение высказала 150 лет назад в работах французского ученого Д´Арсонваля, и дело теперь за техническим воплощением и поиском оптимальных схем, способных обеспечить максимальную эффективность. Д´Арсонваль еще в 1881 г. впервые высказал идею об использовании солнечной энергии, накопленной в океане в виде тепла. Более чем через 40 лет его ученик, Жорж Клод, наконец воплотил идею в жизнь и построил на Кубе небольшую систему утилизации термальной энергии океана. Ученый выбрал бухту Матанца, в которой большие глубины с высоким перепадом температуры воды подходят к самому берегу. Схема установки проста: в испарителе с частичным вакуумированием испаряется теплая вода с поверхности моря (температура порядка +27°C). Полученный пар вращает лопасти турбин, которые соединены с генераторами. Отработанный пар попадает в конденсатор, для охлаждения которого подается вода с глубины (температура порядка +4°C). Первая экспериментальная установка мощностью 22 кВт потребляла 80 кВт на работу своих насосов.
OTEC на Гавайях
альтернативный энергетический океанический тепловой
Первая успешная мини-OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) закрытой циркуляции была запущена в 1979 г. в Keahole Point (Гавайи). Круглосуточно с августа по октябрь установка производила около 50 кВт, из которых только 12 кВт использовались на полезную нагрузку. В течение нескольких последующих лет испытывались усовершенствованные установки.
Первый японский опытный образец, запущенный на острове Науру в 1981 г., выдавал мощность 100 кВт, хотя полезной мощности было всего 14,9 кВт. Его главным отличием от американского конкурента было расположение станции на острове. Локация не на плавучем основании, а на суше позволила сократить расходы на эксплуатацию судна-носителя, устройство надежных якорных стоянок, подводный силовой кабель для передачи электроэнергии на берег, а, главное, обеспечить большую безопасность обслуживающего персонала.
В 1992 г. на Гавайях был запущен экспериментальный аппарат открытого цикла производительностью в среднем 210 кВт, который проработал до 1998 г.
Сейчас разработки новой ОТЭС при финансовой поддержке правительства США ($600 тыс.) ведет компания Lockheed Martin. Завод по преобразованию тепловой энергии океана в электрическую, производительность которого составит 10 МВт, должен появиться на Гавайях в 2012-2013 гг.
Остров Реюньон (Франция) был объявлен президентом Николя Саркози в январе этого года национальной лабораторией для создания океанической тепловой электростанции. В перспективе, к 2030 г. построенные здесь ОТЭС должны полностью обеспечить потребности в электроэнергии всего острова. Бюджет проекта составляет € 7,7 млн.
Сегодня освоение тепловой энергии океана входит в национальные программы США, Франции, Японии, Швеции, Индии.
Станции в Арктике
Энергию можно получать не только из теплых вод тропических или субтропических районов Мирового океана, но и из северных или южных бассейнов планеты, то есть из вод Арктики и Антарктики. Возможность практической реализации преобразования тепловой энергии океана в арктических районах в своих работах показал в 1980-х гг. Альберт Ильин, руководитель лаборатории энергетики океана Тихоокеанского океанологического института. Автор отмечает не только важность наличия нужного градиента температуры, но также и необходимость достаточной скорости ветра и скорости течения воды в океане. По расчетам А. Ильина, КПД энергетической установки мощностью около 50 кВт в арктических условиях получается в пределах 0,79-2,08%. Речь идет о КПД использования тепла воды, что же касается КПД самой установки, то он достаточно высок и достигает 43%. Эта цифра относится к аммиачной установке мощностью 1 МВт.На возможность использования энергетического потенциала северных широт первым обратил внимание в 1928 г. французский инженер А. Баржо. В качестве нагревателя им предлагалась морская вода с температурой, близкой к 0°С. Холодильником должен был служить морозный воздух. В качестве вторичного рабочего тела было предложено взять такое вещество, которое кипело бы при температуре несколько ниже 0°С и конденсировалось бы в жидкость при температуре минус 20°С. Баржо рекомендовал углеводородные соединения типа пропана, бутана или изобутана.
Действительно, в Северном Ледовитом океане температура в поверхностном слое подо льдом близка к 0°С. Интересно отметить, что градиент температур арктических вод крайне мал – так, на нескольких сотнях метров глубины температура воды доходит примерно до +0,6°С. Там находится теплый промежуточный слой, образовавшийся за счет притока вод атлантического происхождения. Во многих районах Арктики большую часть года температура воздуха ниже -10°С. Например, на Новосибирских островах в году бывает всего 2-4 дня с тем температурой воздуха выше -10°С, на побережье моря Лаптевых таких дней от 10 до 14, а на архипелаге Северная Земля их только 10-12. В остальное время года здесь царствуют морозы. Таким образом, разность температур подледной воды и воздуха составляет в арктических районах более 26°С и может быть использована для генерации электричества. Расчеты ученых показывают, что при таком перепаде каждый 1 м³ морской воды, будучи пропущен за 1 с через преобразователь, позволяет получить около 10 кВт мощности при КПД установки 5%.
Арктические станции работают по так называемому "треугольному" циклу: нагрев и испарение рабочего тела, адиабатное расширение через турбину, изотермическое сжатие при подаче в испаритель с одновременным отводом избыточного тепла в холодильнике. В охлаждающем контуре такой станции необходимо использовать рассол с низкой температурой замерзания. В качестве промежуточного теплоносителя применяется водный раствор хлористого кальция с концентрацией не менее 26 кг на 100 кг воды, который достаточно широко используется в холодильной технике. Промежуточный теплоноситель охлаждается путем разбрызгивания через форсунки оросительного охладителя. Рабочим телом в основном контуре станции служит фреон-12, пары которого приводят в движение турбину с электрогенератором.
Осмотические станции в устьях рек
В ноябре 2009 г. компания Statkraft, крупнейший производитель электроэнергии Норвегии, недалеко от Осло (г. Тофте) построила и запустила первую в мире электростанцию, основанную на осмотическом давлении. Построенная электростанция производит 2-4 кВт электроэнергии – ее эффективность пока составляет 1 Вт с 1 кв. м мембраны, и основное ее назначение – отработка технологии и повышение эффективности до 5 Вт/кв. м мембраны.
"Специалисты Statkraft потратили много сил на разработку этой технологии. Наша ближайшая цель - на прототипной станции протестировать новую мембрану и повысить ее эффективность. Прототип будет работать 2-3 года, на следующей стадии мы запустим пилотную станцию на 1-2 МВт – прежде, чем построим полноценный завод. Самые амбициозные наши цели - построить полномасштабную осмотическую станцию в 2015 г.", – рассказал EnergyLand.info Аслак Оверас (Aslak Overas), представитель компании.
А свою разработку инженеры компании потратили около 10 лет, строительство опытной электростанции заняло чуть более года. Идея использования мембраны для дистилляции воды путем осмоса и дальнейшей генерации энергии была предложена в 1970-х гг. американским профессором Сидни Лоэбом. Изучением осмотической мощности занялись доктор Тор Торсен и доктор Торлиф Холт из независимой исследовательской организации SINTEF, которые в 1996 г. передали компании Statkraft свои наработки.
Пресная и соленая вода разделены полупроницаемой мембраной, пропускающей только пресную воду и препятствующая прохождению соленой воды. Общая площадь мембраны осмотической станции в Тофте 2000 м². Явление осмоса вынуждает пресную воду перетекать в часть с соленой водой. При этом в части камеры с морской водой возникает избыточное давление (осмотическое давление), которого достаточно для приведения в действие гидротурбины, вращающей электрогенератор, который вырабатывает электричество. На станции Statkraft достигнуто избыточное давление в 12 бар, что эквивалентно 120 м водного столба.
Осмотические электростанции наиболее актуальны в устьях больших рек, а около них, как правило, располагаются крупные города. Специалисты Statkraft считают подобные станции наиболее перспективными для северных стран, таких как Россия, Канада и государства Скандинавии, при этом не стоит исключать самые южные части Африки и Америки.
Однако не все эксперты разделяют оптимизм норвежских инженеров: "Энергетический потенциал разности солености воды составляет 2 кДж/кг. Примерно того же порядка и энергетический потенциал разности температуры воды (энергетический потенциал углеводородного топлива около 40000 кДж/кг). Оба случая требуют огромных расходов энергоносителя (воды). В случае тепловой энергии вопрос с объемами воды не стоит, поскольку имеется целый океан теплой воды с мощной холодной подложкой. В случае солености возникнут проблемы с энергоносителем, поскольку станции можно строить только в устьях рек. Помимо этого, пресная вода - ценное сырье для жизнедеятельности и уже в дефиците. Практическое отсутствие энергоносителя для создания большого количества мощных энергетических станций лишает идею использовать разность солености воды перспективы позволяющей решить основную проблему недалекого будущего по замене углеводородов", - полагает Станислав Понятовский.
Первая в мире осмотическая электростанция (фото Statkraft)
Глобальный потенциал "осмотической энергии" компания оценивает примерно в 1600-1700 ТВт•ч в год, что эквивалентно половине производимой в Европейском союзе электроэнергии.
Экология
Электростанции, использующие ресурсы океана, на первый взгляд кажутся весьма экологичными. Но за потреблением океанической энергии кроется несколько опасных моментов.
С одной стороны, работа станций сопровождается охлаждением поверхности океана, что на фоне глобального потепления имеет явно положительную тенденцию. "Если рассматривать влияние перемещения больших объемов тепловой энергии с верхнего слоя на глубину порядка 600 м, то можно предположить, что охлаждение поверхности океана в тропиках на 1-4 градуса скорей всего положительно скажется на климате и будет способствовать борьбе с ураганами, - считает Станислав Понятовский. - При сопутствующем сбросе тепловой энергии в нижний слой она бесследно растворится в многокилометровом бассейне холодной воды без каких либо последствий".
С другой стороны, встает вопрос: сколько можно взять энергии из океана без вреда для окружающей среды? Ответили на него профессора Виктор Акуличев, директор Тихоокеанского океанологического института (г. Владивосток), и его коллега Альберт Ильин. В качестве критерия они приняли допустимое понижение температуры поверхности океана на 0,5К (такая цифра близка к естественным флуктуациям средней температуры). Тогда максимально допустимая мощность, которую можно снять в тропической зоне мирового океана, составит 11 млрд. кВт. При непрерывной работе тепловых преобразователей за год такой мощностью будет выработано 0,96-105 млрд. кВт•ч, что составляет примерно треть от потребления энергии, прогнозируемого на 2020 г.
Негативные экологические последствия работы тепловых станций по схеме с подъемом воды заключаются в выделении в атмосферу растворенных газов. Глубинные холодные воды содержат внушительное количество углекислого газа, который выделяется при подъеме глубинных вод на поверхность из-за снижения давления и повышения температуры.
Загрязнение окружающей среды может произойти и в случае утечки рабочих жидкостей, т.е. аммиака, фреона или ядовитых веществ, необходимых для промывки теплообменников - например, хлора.
Считая от поверхности, температура воды с увеличением глубины слабо меняется до определенного уровня. На некоторой глубине температура резко уменьшается – это начало так называемого слоя скачка. Одновременно со скачком температуры наблюдается и скачок плотности морской воды. Благодаря высокому градиенту плотности слой скачка выполняет своеобразную роль "жидкого грунта", играя исключительную роль в физике и биологии океана. Без затраты мускульной энергии многочисленные обитатели океана могут долго оставаться в слое скачка во взвешенном состоянии. Важно, чтобы мощные водяные потоки ОТЭС не разрушили слой скачка. Возможно, для этого придется далеко разносить места сброса отработанных вод и забора теплой воды.
Однако время углеводородной энергетики проходит, и будущее за альтернативными источниками, возобновляемыми и более экологичными. Энергетические объекты в многочисленных вариантах исполнения уже воплощаются в жизнь на огромной акватории океана.
Энергия с дна океана.
В массовом сознании альтернативными энергоносителями являются исключительно возобновляемые источники энергии – Солнце, ветер, биомасса, морской прибой и тому подобные. Есть, однако, и ещё один весьма перспективный, хоть и не возобновляемый энергоноситель: метан с морского дна. Многие о его существовании и не догадываются, что, в общем-то, простительно: ведь ещё совсем недавно об этом не знали и учёные. Между тем, на морском дне хранятся огромные запасы метана! Правда, он находится там в связанном виде – в форме твёрдых гидратов.
Образование гидратов метана, то есть его соединений с водой, происходит под воздействием высокого давления и низкой температуры – при условиях, вполне типичных для океанских глубин. Там, где океаническая плита, сдвигаясь, уходит под континентальную, возникают зоны мощнейшего сжатия. Они-то и выдавливают наружу метан, образующийся в толще органических отложений. Одна из таких тектонических зон находится у западного побережья Северной Америки.
Экспедиция, отправившаяся туда на поиски гидрата метана, действительно его нашла, однако главной сенсацией стало то, что огромные его залежи были обнаружены непосредственно на поверхности морского дна. Профессор Юрген Минерт, научный сотрудник немецкого Исследовательского центра "Geomar" со штаб-квартирой в Киле, говорит: "Мы имеем основания считать, что газовая смесь, заключённая в этой породе, на 98...99 процентов состоит из метана. Когда проба грунта с морского дна поднимается на борт, газ тут же начинает улетучиваться.
Чёрные пятна свидетельствуют о повышенном содержании углерода в осадочных отложениях. Иначе говоря, метан, обнаруженный на морском дне, является продуктом разложения органической материи, результатом отмирания живых организмов, то есть имеет биогенное, а не термогенное происхождение".
Образцы газогидрата, добытые у побережья США, с тех пор бережно сохраняются в специальных резервуарах-холодильниках и изучаются – например, в Институте полярных и морских исследований имени Альфреда Вегенера в Бремерхафене. Здесь расположена одна из немногочисленных лабораторий, в которых созданы условия, обеспечивающие сохранность газогидрата в первозданном виде. То есть в помещении поддерживается температура –27ºC, так что исследователи вынуждены работать в специальных комбинезонах и тёплых перчатках.
Поднятые со дна моря куски газогидрата внешне напоминают вывалянные в грязи куски льда. Собственно, это и есть лёд с высоким содержанием метана. Образцы нарезают на тончайшие пластинки, каждый срез фотографируют, и только после этого гидрат подвергают химическому анализу. Йенс Грайнерт, сотрудник Исследовательского центра "Geomar", поясняет: "По большей части, это метан. На 98% метан, но и остальное – это может быть сероводород, углекислый газ, – нас очень интересует, поскольку от примесей во многом зависит, при каких условиях гидрат стабилен, а при каких – нет. Зная это, можно браться за исследование вопроса, когда и как гидраты метана образуются, когда и как распадаются".
Немалый интерес к работам геофизиков проявляют и климатологи. В их глазах метан – не столько ценный энергоноситель, сколько один из главных виновников глобального потепления.
"Метан, как известно, третий по значимости парниковый газ. Принято считать, что важным источником метана являются океаны и – особенно – периферийные моря. Но зачастую учёные не могут даже качественно оценить, выделяет ли море метан в атмосферу или же, напротив, связывает атмосферный метан, образуя гидраты. А уж о количественной оценке этих процессов сегодня и говорить не приходится.
Между тем, это очень важный вопрос. И мы надеемся, что наши новые приборы помогут найти на него ответ, – говорит Клаус Вайткамп, сотрудник Исследовательского центра "GKSS" в Геестхахте, специализирующегося на создании высокочувствительных газовых сенсоров. Но каковы же запасы метана в газогидратах? Могут ли они оказать существенное влияние на климат – например, если в результате глобального потепления залегающие на дне под толщей воды гидраты начнут распадаться на составные компоненты, и весь метан уйдёт в атмосферу?"
Сотрудник Исследовательского центра "Geomar" Герхард Борман говорит: "Существуют оценки, согласно которым около 50% всего имеющегося на Земле углерода заключено в этих гидратах. Вы только представьте себе, мы столько говорили о содержании углекислого газа в атмосфере, о круговороте углерода в природе, и до сих пор не учитывали столь важное слагаемое этого процесса! Впрочем, все расчёты, которыми мы пользуемся, носят весьма приблизительный характер.
Прогнозируя, где и в каком количестве могут быть обнаружены подводные газогидратные поля, мы исходим из сейсмических наблюдений и геофизических исследований. Но чтобы повысить достоверность прогнозов, необходимо произвести пробные бурения и замеры в тех районах океана, где предсказано наличие гидратов метана, и проанализировать полученные результаты. Пока мы лишь в самом начале пути, но думаю, что исследование газогидратов станет ключевой темой на ближайшие годы, а возможно, и десятилетия".
Поиски гидратов метана ведутся в самых различных районах мирового океана и с привлечением самой современной специальной техники. Примечательно, что при этом геофизики не жалеют сил на изучение придонной флоры и фауны. Дело в том, что обитатели морского дна могут служить своего рода индикаторами, указывающими на наличие в недрах месторождения газогидрата.
Сотрудник Исследовательского центра "Geomar" биолог Петер Линке рассказывает: "Между известковыми глыбами, возникшими на дне в результате геохимических и тектонических процессов, происходит истечение метаносодержащих жидкостей, которые являются основой для существования определённого вида моллюсков. Наличие этих моллюсков и является для нас верным признаком, что тут из недр выделяется метан. Конечно, моллюски не могут питаться метаном как таковым – он для них так же ядовит, как и для человека. Здесь мы имеет дело с типичным примером симбиоза: метаносодержащая жидкость усваивается особыми бактериями, живущими в мантии моллюсков. А сами моллюски питаются отходами жизнедеятельности этих бактерий, что и позволяет им существовать на такой глубине, куда солнечный свет практически не проникает.
Естественно, моллюски стремятся поселиться как можно ближе к источнику продовольствия, то есть к тем трещинам и щелям в известковых отложениях, из которых и происходит истечение метаносодержащих жидкостей. В свою очередь, эти моллюски служат пищей для некоторых других видов морской фауны. То есть те места, в которых, по нашим оценкам, существуют условия для образования газогидратов, являются своего рода оазисами в пустыне морских глубин".
Моллюски, извлечённые со дна моря во время экспедиции к побережью США, подверглись, разумеется, самому пристальному исследованию. Их препарировали, затем из тканей раковины и мантии учёные выделили углерод, связав его в углекислый газ, и проанализировали с помощью масспектрометра. Высокое содержание изотопа углерода С12 позволило сделать вывод о том, что моллюски действительно питались за счёт жидкостей, омывающих газогидратные месторождения.
А вот найти этих самых моллюсков оказалось непросто: многочисленные пробы грунта со дна моря в тех местах, где – исходя из геофизических соображений – предполагались месторождения газогидратов, долгое время не давали положительного результата. Почему?
"Либо недостаточно настойчиво искали, либо источники метана, которые некогда давали пищу и служили основой существования этих моллюсков, сегодня обеднели или вовсе иссякли. Для моллюсков это катастрофа, они вымирают. Для нас же это свидетельство того, что источники бедны или пусты. Если мы обнаруживаем большую колонию живых моллюсков, это даёт нам основания полагать, что здесь имеются значительные источники метана.
Если же никаких моллюсков нет или мы находим только пустые раковины, значит, интенсивного выделения метаносодержащих жидкостей здесь, скорее всего, не наблюдается, – продолжает Петер Линке, участник экспедиции, которая обнаружила богатые месторождения гидрата метана и сопутствующие им колонии моллюсков и у побережья США, и в Аравийском море у берегов Пакистана".
Однако наибольший интерес учёных вызывают холодные моря Крайнего Севера и Крайнего Юга. В частности, Охотское море. Профессор Эрвин Зюсс, долгие годы руководивший Исследовательским центром "Geomar", особо подчёркивает климатологический аспект: "Источником метана в Охотском море, как и во многих других периферийных морях, являются гидраты.
Охотское море более 9-ти месяцев в году покрыто льдом, и поднимающийся со дна метан удерживается этим ледяным покровом. Весной, когда лёд начинает таять, в атмосферу в считанные недели уходят огромные массы метана. Учитывая важность метана как парникового газа, следует очень внимательно изучить влияние этих сезонных выбросов на глобальный климат. Это поможет разобраться в тенденциях и механизмах климатических изменений, происходящих на Земле".
Чтобы понять, изменения какого масштаба имеет в виду Эрвин Зюсс, следует принять во внимание такую цифру: из одного кубометра гидрата, извлечённого со дна морского, выделяется 164 кубометра газообразного метана! То есть речь идёт, с одной стороны, о скрытом в гидратах метана колоссальном энергетическом потенциале, а с другой стороны, об огромной опасности, которую эти гидраты могут представлять для климата планеты.
А то, что месторождения газогидратов на морском дне действительно огромны, у специалистов не вызывает сомнений. Ганс Фаленкамп, профессор кафедры природоохранных технологий Дортмундского университета, говорит: "Запасы газогидратов геологи оценивают, соотнося их с суммарным объёмом разведанных на сегодняшний день месторождений нефти, природного газа и угля. Их вывод таков: залежи метана на дне морей и океанов обладают вдвое большими энергоресурсами, чем все прочие ископаемые энергоносители вместе взятые".
А это ни много ни мало – 10 тысяч миллиардов тонн. Однако технологии, пригодной для широкомасштабной добычи этого бесценного клада со дна моря, до недавнего времени не существовало. Коллега профессора Ганса Фаленкампа по кафедре природоохранных технологий Дортмундского университета – Хайко Юрген Шультц – говорит: "Предложенные до сих пор способы добычи были недостаточно эффективными. Произведённые расчёты показали, что метан, поднятый этими способами со дна моря, не может конкурировать с природным газом, добываемым традиционными методами".
Помимо низкой экономичности, есть и вторая проблема – безопасность. Залежи газогидратов располагаются на крутых склонах, на глубинах от 300 до 1000 метров и являются фактором, стабилизирующим морское дно в этих геологически-активных регионах. Широкомасштабная разработка месторождений может вызвать подводные оползни и, как следствие, разрушительные приливные волны – цунами.
Кроме того, нельзя не считаться с возможностью аварийных выбросов огромных масс метана в атмосферу, что чревато грандиозной экологической катастрофой, не говоря уже об угрозе здоровью и жизни персонала, обслуживающего добывающее оборудование. Но Хайко Юрген Шультц предложил недавно новый и, как он считает, весьма перспективный метод добычи газогидратов. По крайней мере, расчёты на компьютерной модели выглядят многообещающе: "Мы представили технологию, которая позволит обеспечить высокую эффективность и значительные объёмы добычи".
Чтобы получить газообразный метан из твёрдых газогидратов, их нужно расплавить, то есть нагреть. Проект Хайко Юргена Шультца предполагает прокладку специального трубопровода с платформы на поверхности моря до залежей газогидратов на морском дне. Особенность трубопровода в том, что он состоит из труб с двойной стенкой. Это как бы два трубопровода, из которых один пропущен сквозь другой. Хайко Юрген Шультц поясняет: "По принципу действия это напоминает кофеварку. По внутренней трубе мы подаём морскую воду, нагретую до 30...40 градусов, непосредственно к месторождению газогидратов.
Те плавятся, при этом из них выделяются пузырьки газообразного метана, которые вместе с водой поднимаются по внешней трубе наверх, к платформе. Там метан отделяется от воды и подаётся в цистерны или в магистральный трубопровод, а тёплая вода снова закачивается вниз, к залежам газогидратов".
Расчёты показывают, что при использовании такой технологии количество выработанной энергии в 40 раз превысит то количество, которое придётся затратить на добычу. То есть экономичность налицо. А как обстоит дело с экологичностью? Вопрос важный хотя бы уже потому, что метан – один из самых вредоносных для климата газов, – напоминает профессор Фаленкамп: "Все парниковые газы сравнивают, как правило, с углекислым газом. Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 23 единицы".
Но если верить компьютерным расчётам, никаких аварийных выбросов метана ожидать не приходится. Более того, Хайко Юрген Шультц уверен, что его технология сводит на нет также и угрозу подводных оползней. В настоящее время он ищет инвесторов, чтобы реализовать свою идею на практике. Стоимость проекта оценивается в 100 миллионов евро.
Альтернативные источники энергии: энергия океана
Океан хранит в себе огромный запас энергии. Бесконечное движение приливов и волн, а также нагрев верхних слоев воды - все это может быть использовано для получения электричества. Это делает океан бесконечным и неисчерпаемым источником энергии. В качестве топлива используется вода, а энергия, производимая океаном - экологически чистая. Здесь нет выбросов диоксида углерода или других парниковых газов. Задача: взять весь потенциал энергии и превратить его во что-то полезное.
Приливы, волны и тепло океана требуют особых технологий по преобразованию скрытой в них энергии в электричество. Доказанными поставщиками электричества являются лишь приливные электростанции. Приливные станции во Франции и Новой Шотландии работают уже много лет, в других регионах также планируется строительство таких сооружений. Методы использования энергии волн океана также совершенствуются. Существуют прототипы волновых электростанций, работающие в Шотландии и Норвегии. Другие технологии все еще находятся на стадии эксперимента.
Самым большим ограничением для использовании энергии океана является строительство станции. Стоимость очень высока. Даже учитывая то, что топливо для станции бесплатное, проходит много времени, прежде чем вложения окупятся. Это означает, что электричество, получаемое из ископаемого топлива, дешевле в большинстве мест. Необходимость в получении экологически чистой энергии может изменить это представление и сделать энергию океана более экономичной.
Энергия прилива
Идея использования потока прилива датируется средними веками, родилась она в Европе. Прилив вращал водяные колеса, которые вращали жернова мельниц на побережье Бретани. Колонисты Новой Англии также использовали приливную энергию. Вдоль Лонг-Айленд-Саунда в Коннектикуте приливные бухты стали бассейнами мельниц, поток воды контролировали шлюзы. Позднее другие источники энергии превзошли силу прилива. Приливная энергия - единственный источник энергии океана, который мы используем сейчас.
Чтобы понять, как работает энергия прилива, нужно немного знать о его механизмах. Обычно, но не всегда, дважды в день море достигает высокой точки берега (происходит прилив) и нижней точки (отлив). Приливы и отливы происходят регулярно в одно и то же время. Обуславливает приливы сила гравитации. Приливное течение вызывают гравитационные силы: Луна, Солнце, а также вращение Земли. Погода также немного влияет на приливы: мощный шторм может вызывать волны выше обычных.
Простая приливная электростанция использует преимущества ландшафта залива или устья реки. Происходит это там, где движется прилив, в области, окруженной землей с одной или двух-трех сторон. В устье реки или заливе ставится приливное заграждение. Заграждение делит область прилива на верхний и нижний бассейны. В заграждении установлены турбины. Когда разница в уровне воды по сторонам заграждения достаточна, шлюзы открывают, чтобы протекающая вода вращала турбины. Турбины вращаются по мере прохождения воды из одного резервуара в другой, скорость зависит от объема прилива. Движение турбины вращает генератор, вырабатывающий электричество.
Самая старая приливная электростанция Ля Ранс находится в Бретани (Франция). Эта станция работала с 1966 года, она генерирует 240 мегаватт электричества. Королевская станция Аннаполис в Новой Шотландии (Канада), запущенная в 1984 году, вырабатывает 20 мегаватт электричества. Приливные электростанции строятся в Баренцевом море (Россия), в восьми местах Китая, Индии и Уэльса.
Энергия прилива кажется простой, но что если бы во многих заливах и устьях были бы электростанции? Строительство электростанции стоит дорого, поэтому она должна генерировать достаточно электричества, чтобы окупить эти инвестиции. Инвестиции окупаются, когда разница между приливом и отливом составляет как минимум 5 метров. Приливы с меньшей разницей не генерируют достаточно электричества, чтобы окупить строительство электростанции. Приливы такой силы наблюдаются всего в 40 местах мира.
Приливной забор работает по принципу заграждения. Однако вместо однородной дамбы забор состоит из серии турбин, установленных в открытый забор, больше похожий на шлюз в воде. Турбины рабоатют на вертикальной оси. Одно из преимуществ забора в том, что он не полностью блокирует залив. Приливной забор может быть установлен в месте течения.
Приливное течение может генерировать столько же энергии, сколько и ветер на большой скорости. Происходит это, потому что плотность воды больше плотности воздуха, поэтому она несет больше энергии. Приливной забор нуждается в скорости течения 5-8 узлов (6-9 м/час), чтобы выработать достаточно электричества для экономической выгодности проекта. Приливной забор менее выгоден в установке, в сравнении с заграждением. Проект с приливным забором работает в Сан-Бернардино-Стрейт на Филиппинах.
Приливные турбины очень похожи на ветряные и могут быть установлены везде, где есть приливы достаточной силы. Лопасти похожи на гигантский пропеллер. Лезвия турбины не насколько велики, как ветряные: часто 15 метров в диаметре (лопасти турбин достигают 60 метров). Турбины прикреплены ко дну на глубине 20-30 метров, где есть течение в 3,6-4,9 морских узлов (4 - 5,5 м/час). На этой скорости приливная турбина вырабатывает гораздо больше электроэнергии, нежели ветряная. Во многих местах есть станции тестирования приливных турбин, одно из таких мест Ист Ривер в Нью-Йорке.
Проблемы приливной энергии
Энергия прилива не производит выбросов. Однако влияние дамб и турбин на жизнь морских обитателей неизвестно. Мы знаем, что дамбы и заграждения влияют на миграцию, а также движение осадочных пород в устье или заливе. Поэтому дамба должна влиять на локальную экосистему. Приливные заборы решают часть этих проблем. Открытая структура позволяет двигаться илу, песку и мелким морским обитателям. Однако крупные рыбы и морские млекопитающие не смогут проходить сквозь турбины без повреждений, которые могут повлиять на миграцию. Отдельностоящие турбины меньше всего влияют на экосистему. Приливные заборы еще предстоит усовершенствовать, хотя и их влияние остается малоизученным.
Сейчас большой проблемой на пути широкого использования энергии прилива является цена. Приливные электростанции недороги в эксплуатации, особенно учитывая то, что морская вода как топливо - бесплатная. Однако установка этих станций стоит дорого, стоимость создания самих турбин ниже, чем цена возведения заграждений. Стоимость строительства делает энергию, генерируемую электростанциями сейчас более дорогой, чем энергию ископаемого топлива.
Энергия волн
Очень просто увидеть энергию волн, бьющихся о берег. Они могут разбиваться в белую соленую пену, ровно лежающую на берегу - волны наделены жестокой силой. Однако энергия волн не просто сокрушительна. Вдалеке от берега движение океана прячет еще более мощную энергию. Постоянное соударение волн никогда не прекращается. Исследователи энергии волн рассматривают как использование энергии разбивающихся волн на наземных станциях, так и постоянное движение волн на морских устройствах.
Сейчас испытывается множество различных видов прибрежных электростанций. Один из способов уловить новую энергию - осциляционная водяная колонна. В полой, частично погруженной колонне из стали или бетона есть отверстие под водой. Внутренняя часть колонны содержит воздух над столбом воды. Волны, попадая в сооружение, вызывают подъем и уменьшение уровня воды. Движение воды то сжимает, то разжимает воздух в конструкции. Сжитый воздух образуется, когда вода входит в колонну, и передается турбине, прикрепленной к генератору. Волны заставляют воздух выходить через турбины и возвращаться обратно, когда давление падает. В колонне воды используется турбина Уэллса, уникальные лопасти которой позволяют ей вращаться вне зависимости от того, в каком направлении движется воздух. Прототип такой электростанции по построен на побережье Шотландии. Она генерирует около 500 киловатт электричества.
В системе клиновидных каналов или ТАПЧАН (англ. аббревиатура) для получения энергии волн используется морская вода. На возвышении у берега строится резервуар, находящийся чуть выше уровня моря. В резервуар ведет конический канал: он шире со стороны океана и уже у резервуара. Волны попадают в широкую часть канала и увеличиваются в высоте по мере сужения. В некоторой точке вода через канал попадает в резервуар. По трубе вода возвращается в океан. В трубе вода проходит через турбину генератора. Прототип такой электростанции работает в Норвегии с 1985 года, другие проекты все еще находятся на этапе конструирования.
Маятниковое водяное устроство работает по принципу своего названия. На берегу устанавливается большая прямоугольная коробка. Один конец ящика открыт для воды. На открытом конце есть заслонка, которая в такт волнам раскачивается вперед-назад, как маятник. Движение вперед-назад приводит в действие гидравлический насос, прикрепленный к генератору. Маятниковые устройства находятся сейчас на стадии тестирования.
Офшорные системы обычно устанавливаются на глубине 40 метров и более. На станции Сальтер дак используется сила волн для движения маятника вперед-назад. Маятник подключен к генератору. Серия Даков может быть установлена в ряд, чтобы получить как можно больше энергии.
Шланговый насос с помощью шланга, прикрепленного к поплавку, получает энергию волн. Шланг растягивается и сжимается в такт движения волн, накачивая воду внутрь себя. Вода проходит через односторонний клапан внизу шланга и попадает в турбину генератора. Как и Сальтер даки, шланговые насосы можно устанавливать рядами.
На пелями, названной в честь морской змеи, установлена сегментированная плавающая труба, которая движется вместе с волнами. В соединениях находятся гидравлические моторы. Движение воды активирует моторы и вырабатывается электричество. Электричество передается на берег. Прототип пелями тестируется в Шотландии.
Проблемы приливной энергии
Сложно выбрать место для строительства волновой электростанции Как и в случае с ветром, сила волн меняется: во время шторма они увеличиваются, а в спокойную погоду - уменьшаются. Для нормальной работы волновой электростанции необходимы относительно стабильные волны. Есть множество регионов, у берегов которых наблюдается волнение, - западные берега Шотландии, север Канады, юг Африки и Австралии; часть Гавайский островов и северо-восточные и северо-западные берега США.
Важен и вид местности. Вряд ли местным жителям понравится огромная волновая электростанция вместо живописного вида. Влияние на окружающую среду так же поднимает свои вопросы. Строители электростанции не хотят существунно поднимать существующие седиментарные слои, потому что последствия могут быть очень масштабными. Кроме того, оборудование должно выдерживать суровые погодные условия.
Самой большой проблемой для волновой энергии является ее стоимость. Волновые электростанции дорого строить. Несмотря на то, что их топливо бесплатное, а потенциал производства энергии - огромен, в нынешних условиях энергия волновых электростанций дороже, чем у станций на ископаемом топливе.
Использование термальной энергии океана
Температура воды в океане уменьшается вместе с глубиной. Разница температур используется для получения энергии. Лучшие точки для таких проектов: тропические и субтропические регионы - там, где глубокие воды находятся относительно близко к суше. В таких водах разница температур между верхним и нижним слоем может достигать 20 градусов Цельсия.
Французский физик Жак Арсен д'Арсонваль в 1881 году понял эту идею. Первая термальная электростанция была построена одним из его учеников Джорджем Клодом в 1930 году на Кубе. В 1935 году Клод построил другую станцию близ берегов Бразилии, однако погода и волны уничтожили обе станции еще до того, как они вышли на полезный уровень электроэнергии. С тех пор проводились и другие попытки, но термальные электростанции пока остаются экспериментальной технологией.
Термальные электростанции строятся в тропических прибрежных водах. По трубам на станцию поступает теплая поверхностная вода. Эта вода используется для получения пара, вращающего турбины. Турбина подключена к генератору, вырабатывающему электричество. Холодная вода глубоководных слоев поднимается с глубины 1,6 км по толстой трубе. Холодная вода конденсирует пар и охлажденная морская вода возвращается в океан. Сейчас протестировано три различных вида систем. В системе открытого типа используется морская вода, бойлер под давлением помогает получать пар. В закрытой системе теплая вода контактирует с трубами, содержащими теплообменную жидкость с низкой точкой кипения. Жидкость вращает генератор. В гибридных системах используется распыление открытого цикла для подогрева теплообменной жидкости и превращения ее в пар, вращающий турбины.
Термальные электростанции имеют те же проблемы, что и все океанические источники энергии. Стоимость строительства высока, что делает энергию океана более дорогой в сравнении с ископаемым топливом. Влияние термальных электростанций на окружающую среду остается неизученным.
|