В статье исследованы основные виды, принципы и современное состояние использования энергии Мирового океана. Проанализированы направления энергосбережения, которые осуществляются путём внедрения новых технологий и оборудования, позволяющих сокращать потери энергоресурсов, в частности, использование энергии океана путём установления и эксплуатации приливных электростанций, использования энергии морских волн, энергии течений в разных частях морей и океанов, энергии химических связей растворённых солей, тепловой энергии в виде разницы температур воды на поверхности и на глубине.
В работе сделан вывод о том, что развитие возобновляемой энергетики имеет особую важность с точки зрения обеспечения эколого-экономической безопасности страны и сегодня перед человечеством остро встал вопрос обеспеченности энергетическими ресурсами, что заставило нас обратиться к возобновляемым источникам энергии, среди которых важное место занимает энергия океана.
Ключевые слова: приливы, морские течения, волны, разница температур, разница солёности воды, энергетика, энергия, энергосбережение, технологии
Несмотря на негативные тенденции, сложившиеся на начало XXI века в окружающей среде и энергетике, которая базируется на традиционных источниках энергии, переходу на нетрадиционные и возобновляемые источники энергии сегодня уже просто нет альтернативы. Поэтому в большинстве стран мира в энергетических программах предусмотрены конкретные цели в сфере производства и потребления энергии из нетрадиционных и возобновляемых источников, стимулируется их развитие. В последние годы наблюдается резкий рост объёмов инвестиций в возобновляемую энергетику (ВЭ). Необходимо отметить, что такой источник энергии как Мировой океан, вклад которого в общий баланс пока остаётся очень незначительным, в последние десятилетия стал развиваться наиболее ускоренными темпами. В сфере производства электроэнергии доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) составляет на сегодня около 20 %, из которых 92 % приходится на гидроэнергетику, 5 % — на биомассу и отходы, остальное — на так называемые «новые» ВИЭ.
Главный вывод, к которому пришли европейские эксперты, заключается в том, что возобновляемые источники энергии к 2040 году смогут обеспечить до 50 % мирового потребления первичной энергии; возобновляемая энергетика будет доминировать над другими мировыми системами энергоснабжения, поскольку ей просто нет альтернативы. Вопрос лишь в том, насколько быстро произойдёт переход к энергетической системе, которая функционирует за счёт ВИЭ и свободной от выбросов СО2.
По данным Международного Энергетического Агентства, «суммарные субсидии области возобновляемых источников энергии составляли 88 млрд долл. США и оцениваются в 5700 млрд долл. США в течение 2012–2035 годов» [5]. В соответствии с этими прогнозами, более половины всех новых мощностей по производству электроэнергии придётся на объекты генерации на основе использования возобновляемых источников энергии, больше всего они развиваются в Китае, Индии, странах ЕС, США и Японии. Согласно данным исследовательской компании BloombergNewEnergyFinance (BNEF), по итогам 2012 г. Китай опередил США по объёму инвестиций в альтернативную энергетику.
Скорость развития инновационных технологий, внедрение научных разработок в сфере возобновляемой энергетики позволяет рассчитывать на привлекательность вложений в этой области на долгосрочную перспективу. Движущей силой этого процесса является изменения в энергетической политике стран со структурной перестройкой топливно-энергетического комплекса, связанной с экологической ситуацией и переходом на энергосберегающие и ресурсосберегающие технологии в энергетике и других секторах экономики.
Использование энергии океана долгие годы привлекало таланты новаторов. И если раньше получение энергии из океана было теорией, то сегодня уже делаются конкретные шаги по мобилизации многочисленных технологий для использования огромных ресурсов энергии мирового океана.
Возможности преобразования энергии волн является предметом научных исследований многих исследовательских центров мира. В последние десятилетия интерес к волновой энергетики значительно усилился, особенно в Японии, Англии, странах Скандинавии. Поэтому отдельные экспериментальные проекты уже переросли в примеры реальной технической реализации. Например, компания Apple и Агентство по возобновляемой энергии Ирландии в 2016 году планируют создать общий фонд, который будет финансировать проекты по исследованию возможности превращения энергии морских волн в электрическую. Ирландия находится в северной части Атлантического океана, а это означает, что волны, омывающие её западный берег, образуются за тысячи километров. И в течение своего пути они аккумулируют огромное количество энергии. Используя это движение волн, можно генерировать электричество. Взяв это во внимание, правительство Ирландии поставило цель выработать 500 мегаватт электричества за счёт энергии океана до 2020 года. Для этого еще в 2004 году в городе Корк создали Морской исследовательский центр. Там учёные построили специальный волновой лоток, главная задача которого помочь в разработке технологий, необходимых для использования энергии волн. В 2005 году Морской исследовательский центр совместно с компанией Ocean Energy Limited начали разрабатывать прототип генератора, который смог бы преобразовывать энергию волн в электричество. За 3 года экспериментов учёные создали тестовый прибор, который пришвартовали вблизи бухты Голуей.
Целью данной работы является ознакомление с возможностями производства электрической энергии с использованием возобновляемых энергетических ресурсов океана.
В Мировом океане содержатся огромные запасы энергии: энергия солнечного излучения, поглощённая океанской водой, которая проявляется в энергии морских течений, волн, прибоя, разности температур различных слоёв воды, энергия притяжения Луны и Солнца, которое вызывает морские приливы и отливы. Используется этот экологически чистый потенциал ещё очень мало.
Первыми объектами такой энергетики можно считать морские волновые электростанции, которые аккумулируют энергию вертикальных колебаний воды.
По заявлению Международного Энергетического Агентства [3], как уже отмечалось, на данный момент в стадии разработки находятся пять различных энергетических технологий, которые направлены на извлечение энергии из океанов:
1. Энергия приливов — потенциальная энергия, связанная с приливами, может быть использована путём создания заграждения или других форм строительства через устье реки. Для использования энергии приливов через устье реки строятся плотины, которые блокируют входящий и исходящий поток. На сегодняшнее время, с учётом технических возможностей человечества, мощности морских приливов во всем мире оцениваются в 15 млрд. кВт, тогда как энергия всех рек — в 850 млн. кВт. Приливы и отливы — это периодические колебания уровня моря, обусловленные притяжением Луны и Солнца. Приточные волны перемещаются по поверхности морей и океанов вследствие вращения Земли с периодом, равным 24 часа (солнечные сутки) для солнечной приливной волны. Месячная же сутки, в течение которых проходит приток, дольше Солнечных на 50 минут. Таким образом, за 24 часа 50 минут бывают два прилива, так называемая полная вода, и два отлива — малая вода. Через каждые 6:00 12,5 мин. происходят приливы, которые достигают наибольшей величины в узких заливах. Наибольшей высоты достигает приливная волна в заливе Фанди в Канаде — до 18 м, в заливе Сен-Мало во Франции — до 14 м.
По данным учёных, общая мощность прилива на Земле составляет один миллиард киловатт, то есть почти равна энергетическому потенциалу всех рек планеты. Использовать эту энергию можно путём отсечения плотиной залива или бухты от моря. Пропускание морской воды через плотину осуществляется через специальные каналы, в которых устанавливаются горизонтальные погружённые капсульные гидроагрегаты (турбина вместе с генератором), которые превращают кинетическую энергию воды в электрическую при её течении в прямом (во время прилива) и в обратном (при отливе) направлениях. Для большей эффективности ПГЭС предоставляют ещё и функции гидроаккумулирующей. Строят ПГЭС в местах, где уровень приливов имеет максимальные значения и где благоприятные географические и гидрографические условия. Большое распространение ПГЭС пока не нашли именно из-за удалённости таких мест на побережье. Среди построенных и успешно работающих можно назвать Кислогубскую ПГЭС, построенную как исследовательскую в России, у Мурманска. На ней установлены два реверсные гидроагрегата мощностью по 400 кВт. Строятся более мощные ПГЭС, такие как Лумбовская — общей мощностью 320 тыс. кВт, Устьева — общей мощностью 1300000 кВт. Разработан проект Беломорской ПГЭС общей мощностью 14 млн кВт и годовым производством электроэнергии 36 млрд кВт ч. Во Франции работают ПГЭС Сен-Мало и ПГЭС Ла-Ранс мощностью 240 тыс. КВт. Планируется построение мощной ПГЭС Шозе с годовым производством электроэнергии 25 млрд кВт ч. Аналогичные примеры можно привести по Канаде, где в заливе Фанди зафиксирован рекордный по мощности прилив высотой 18 м, в Англии, где в некоторых местах высота приливов достигает 14,5 м. Хороший энергопроизводящий потенциал имеют воды у Тихоокеанского Северо-Запада, берега Аляски, Британской Колумбии и Вашингтона.
В целом примеры ПГЭС пока остаются единичными, но там, где условия для их сооружения оказались пригодными, они успешно работают и имеют достаточную мощность для подключения к общей электросети.
2. Приливные (морские) течения. Ещё одним источником электроэнергии может служить кинетическая энергия морских течений. Наиболее мощные течения океана — потенциальный источник энергии. Энергия морских течений, омывающих острова и континенты, по мнению учёных, может быть использована гидротурбинным способом благодаря многочисленным техническим предложениям и стать конкурентоспособной. Всё зависит от выбранного места течения, скорости воды и гидрографических условий (расстояния до берегов или глубины морского дна).
Современный уровень техники позволяет добывать энергию из течений при скорости потока более 1 м/с. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 и 55 млн. куб. м / с воды со скоростью до 2 м / с, и Флоридского течения — 30 млн. куб. м/с со скоростью до 1,8 м / с.
Сегодня для океанической энергетики также представляют интерес течения в протоках Гибралтар, Ла-Манш, а также на Курильских островах. Существует множество проектов по добыче энергии с помощью океанических течений, одна из которых — программа «Coriolis», которая предусматривает установление в проливе Флорида в 30 км к востоку от города Майами нескольких сотен турбин, каждая из которых будет обеспечена двумя рабочими колесами диаметром 168 м. Полезная мощность каждой турбины с учётом затрат на эксплуатацию и потерь при передаче на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флорида на 10 %.
В целом попытки использовать энергию морских и океанских течений на нужды человечества пока не вышли из стадии научных исследований и технико-экономического анализа.
3. Энергия волн. По подсчётам специалистов из Европейской ассоциации энергии океана, метровый отрезок волны «несёт» от 40 до 100 кВт энергии, пригодной для практического использования. В ноябре 2015 года был запущен пилотный проект шведской компании CorPower Ocean, которая разработала новую технологию использования энергии волн — компактный высокопроизводительный конвертер энергии волны, энергетический буй CorPower, который производит в пять раз больше энергии, чем аналогичные устройства, и при этом на треть дешевле их. К слову, разработка получила премию Массачусетского технологического университета в размере 100 000 евро [4]. Три опытные морские станции по использованию энергии морей и океанов для выработки электроэнергии в городах восточной и южной акваториях планируют построить в Китае [7].
Современная тенденция разработки установок для использования энергии морских волн, как и вообще установок на возобновляемых видах энергии, ориентируется на единичные модули умеренной мощности (около одного мегаватта) размером около 50 м вдоль фронта волны. Такие гидроэнергетические установки могут быть экономически выгодными для замены дизель-генераторов, обеспечивающих электроэнергией удалённых потребителей, особенно на островах, для энергообеспечения автономных потребителей вдоль береговой зоны и т. п. Именно так используется энергия морских волн в Японии для освещения различных береговых зданий, сигнальных буев и маяков.
Ресурс энергии волн в мире не ограничен. Правда, производство электричества таким образом может оказаться невыгодным. Во-первых, мало кто живёт в океане, генератор находится слишком далеко от того места, где требуется электричество, а это увеличивает его стоимость. И, во-вторых, производство таким образом электроэнергии является враждебным для окружающей среды. Волны обладают большим количеством энергии, это хорошо для производства электричества, но плохо для всего остального. Сила волн и ветра настолько велика, что разрушает всё. Впрочем, со временем производство электричества из энергии волн должно стать дешевле, и учитывая растущую угрозу глобального потепления, следует отметить, что за альтернативными источниками энергии стоит будущее.
4. Разница температур: разница температур между поверхностью моря и глубин может быть использована для преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО) процессы. ПТЭО является морской технологией использования возобновляемых источников энергии, которая использует поглощённую океанами солнечную энергию для выработки электроэнергии. В основу этих проектов положено использование принципа работы тепловых насосов и легкокипящих жидкостей (пропан, фреон или аммоний) для организации турбинного рабочего процесса и ряд других. То, что разница температур между отдельными слоями морской воды должна рассматриваться как источник возобновляемой энергии, сомнений не вызывает.
Солнечное тепло нагревает поверхность воды намного больше, чем глубинные воды, что создаёт естественно доступный градиент температуры океана, или тепловую энергию. Эффективность цикла сильно зависит от разности температур. Чем больше разница температур, тем выше эффективность. Эта технология поэтому более жизнеспособна главным образом в экваториальных районах, где разница температур круглый год составляет не менее 20 градусов по Цельсию или 36 градусов по Фаренгейту [6].
Отличительной особенностью ПТЭО является возможность обеспечения электроэнергия для удовлетворения основной нагрузки. Это большое преимущество для, например, тропических островов, которые, как правило, располагают небольшой электрической сетью.
5. Разница солёности воды: в устье рек, где пресная вода смешивается с соленой водой, в результате чего появляется энергия, которая может быть использована с целью преобразования в электрическую. Существует несколько принципов и проектов использования разницы солёности воды. Но пока это только свидетельствует о то, что человечеству известно об этих потенциальных энергоресурсах, которые скрыты в безграничных объёмах морей и океанов, и поиски путей их использования не прекращаются.
Следует заметить, что ни одна из этих технологий до сих пор не получила широкого распространения. Приливные заграждения зависят от традиционной технологии, но только несколько крупномасштабных систем находятся в эксплуатации по всему миру, в частности 254 МВт Sihwa (Южная Корея), которая действует с 2011 года и упомянутое заграждение 240 МВт Ла Ранс во Франции. Небольшие проекты были введены в эксплуатацию с тех пор в Китае, Канаде, России и Великобритании.
Приливные проекты производят переменные, но весьма предсказуемые энергетические потоки. Генерация от энергии волн будет переменной, в зависимости от состояния моря. Инженерные проблемы, связанные с эффективностью перехватывания энергии от волны или приливной энергии, являются значительными, особенно принимая во внимание необходимость выживать и работать в сложных условиях. Другие вопросы, которые необходимо учитывать, включают важные аспекты воздействия на морскую жизнь, морскую среду и морских пользователей.
Проекты ПТЭО до сих пор ограничиваются сравнительно небольшими установками, хотя планы и усилия в области проектирования направлены на разработку и внедрение более крупных установок. Технологии по использованию разницы солёности воды также находятся на стадии опытно-промышленной установки.
Выводы. С наступлением 21 века перед человечеством остро встал вопрос обеспеченности энергетическими ресурсами, что заставило нас обратиться к возобновляемым источникам энергии, среди которых важное место занимает энергия океана.
Развитие возобновляемой энергетики имеет особую важность с точки зрения обеспечения эколого-экономической безопасности страны. Действительно, на начальных стадиях развития возобновляемых источников энергии можно с большей точностью выявить их влияние на окружающую среду. Это позволит избежать ошибок, которые допускаются при освоении проектов традиционной энергетики.
Все возобновляемые энергетические ресурсы океана делятся на пять категорий: приливы, морские течения, волны, разница температур и разница солёности воды. Несмотря на то, что сегодня все эти технологии находятся на стадии развития, принимая во внимание доказанную надёжность, конкурентоспособность и экологическую чистоту, их роль будет только увеличиваться в будущем. Вера в то, что в будущем Мировой океан возьмёт на себя функцию и кормильца, и поставщика минеральных ресурсов, и энергопоставщика, с годами только усиливается.
Литература:
- International Energy Agency [Электронныйресурс] // International Energy Agency, 2015. — Режимдоступа: https://www.iea.org/topics/renewables/subtopics/ocean/
- International Energy Agency. World Energy Outlook 2010. [Электронный ресурс] // International Energy Agency, 2010. — Режим доступа: http://www.iea.org
- OTECNews. WhatisOTEC [Электронный ресурс] // OTECNews. — 2016. — Режим доступа: http://www.otecnews.org/what-is-otec/
- Powering the world with clean and economical electricity from the oceans http://www.corpowerocean.com/
- World Energy Outlook Special Report 2015: Energy and Climate Change — Executive Summary — Russian version. — [Электронныйресурс]. Режим доступа: http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/weo-2015-special-report-energy-climate-change---executive-summary---russian-version.html
- Китай построит три опытные морские электростанции по использованию энергии волн // Электровести. — 28.05.2015. — [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://elektrovesti.net/39494_kitay-postroit-tri-opytnye-morskie-elektrostantsii-po-ispolzovaniya-energii-voln
