Проблема обеспечения энергией различных отраслей мирового хозяйства достаточно актуальна на сегодняшний день, как и поиск альтернативных источников энергии.
Эффективность источника энергии определяется их возобновляемостью, способностью сохраняться и транспортироваться, количеством получаемой из него энергии, токсичностью продуктов его использования. Роль каждого из этих показателей в оценке эффективности источника энергии зависит от области применения и других факторов.
Основу современной мировой энергетики составляют атомные электростанции. По данным МАГАТЭ (международное агентство по атомной энергии) на 2014г., в мире действует 435 реакторов. Больше всего в США (эксплуатируется 63 АЭС), на втором месте идет Франция (19 АЭС), на третьем− Япония (17 АЭС). На сегодняшний день ядерная энергетика − один из наиболее перспективных путей утоления энергетического голода. Использование ядерного топлива для выработки электроэнергии −чрезвычайно плодотворная и весьма перспективная идея, которая в конце концов приведет к полному исчерпанию (или использованию в допустимой, по соображению глобальной безопасности степени) ядерного топлива.
Существуют еще гидроэлектростанции (ГЭС) и теплоэлектростанции. Однако развитие теплоэлектростанций сдерживается рядом факторов: стоимость угля, нефти и газа, на которых они работают, растет, а природные ресурсы этих видов топлива сокращаются. Также и у ГЭС существуют значительные недостатки: при перекрытии крупных рек затапливаются огромные территории, также это может послужить препятствием для передвижения рыбы. Построить ГЭС можно только в определенных местах, часто далеких от потребителей.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод: в будущем будут израсходоваться ограниченные запасы невозобновляемых энергетических ресурсов Земли. Следовательно, возникает необходимость в поиске альтернативного источника энергии.
Мировой океан занимает приблизительно 70 % от всей поверхности планеты, а также является гигантским аккумулятором и трансформатором солнечной энергии, преобразуемой в энергию течений, тепла и ветров. Энергия приливов — результат действия сил притяжения Солнца и Луны.
Энергетические ресурсы океана представляют большую ценность как возобновляемые и практически неисчерпаемые. Опыт эксплуатации уже действующих океанических систем показывает, что они не приносят какого-либо ощутимого ущерба океанской среде. При проектировании будущих систем океанской энергетики тщательно исследуется их воздействие на экологию.
Для начала раскроем понятие «биомассы Мирового океана». Биомассой называют совокупность всех растительных и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе (экологической системе).
Однако в Мировом океане живой биомассы в 1000 раз меньше, чем на суше. Использование энергии солнечного излучения на площади океана — 0,04 %, на суше — 0,1 %. Океан не так богат жизнью, как недавно еще предполагали.
Тогда возникает вопрос об эффективном и безопасном методе извлечения энергии. На сегодняшний день известны различные способы ее использования. Рассмотрим некоторые из них.
- Волновые энергоустановки.
В последнее время одним из динамично развивающихся направлений возобновляемых источников электроэнергии является преобразование морских волн в электричество. Основная задача получения электроэнергии из морских волн сводится к преобразованию движения вверх-вниз во вращательное движение для передачи непосредственно на вал электрогенератора с минимальным количеством промежуточных преобразований.
Одним из перспективных средств преобразования энергии волн является поплавковая волновая электростанция морского базирования. В зависимости от назначения возможно создание модулей ПВЭС, как на малые (менее 1 кВт), так и на большие (более 1 кВт) выходные мощности.
Одна из успешнейших на данный момент попыток эффективно перерабатывать энергию океанских волн — волновая электростанция «Oceanlinx» (рис.2) в акватории города Порт-Кембл (Австралия). Она была введена в 2005 г., затем демонтирована для реконструкции и переоборудования и только в начале 2009 вновь запущена.
Принцип ее работы заключается в том, что проходящие через нее волны толчками заполняют водой специальную камеру, вытесняя содержащий в этой камер воздух. Сжатый воздух под давлением проходит через турбину, вращая ее лопасти.
Рис. 1. Oceanlinx
- Энергия ветров.
Внедрение ветровой энергетики в значительной степени связанно с экологическими аспектами. Считается, что ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 4 т оксида азота,1800 т углекислого газа и 9 т оксида серы. Однако, по мнению ряда специалистов с технической и экономической точки зрения недостаточное обоснованное распространение ветровой энергетики недопустимо. Размещение ветровых станций наиболее целесообразно на мелководных зонах, глубиной до 20 м. Предельные глубины для эффективного использования плавучих платформ 100–200 м.
Следует подчеркнуть, что ветроэнергетика является нерегулируемым источником тока. Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра — фактора, отличающегося большим непостоянством. По оценкам Европейской ассоциации ветровой энергии, среднегодовую скорость ветра в целях строительства ветровых электрических станций считают:
1) хорошей, если она 6,9 м/с или выше;
2) умеренной, если она 6,3 м/с;
3) слабой, если она 5,4 м/c или ниже.
Однако ветровые установки не так безопасны, как считается. Обследование людей, живущих вблизи ветродвигателей, выявило у них нарушение вестибулярной системы внутреннего уха низким уровнем шума от турбины, которое в свою очередь вызывает ряд проблем, начиная от внутренних пульсаций и нервозности, заканчивая паническим страхом, ощущениями скованности в груди учащением сердечного ритма. Также давно замечено, что в местах, где установлено множество ветряков, постепенно исчезают птицы и различные животные. [1]
- Биохимическая энергия.
В океане существует замечательная среда для поддержания жизни, в состав которой входят питательные вещества, соли и другие минералы. В этой среде растворенный в воде кислород питает всех морских животных от самых маленьких до самых больших, от амебы до акулы. Растворенный углекислый газ точно так же поддерживает жизнь всех морских растений от одноклеточных до достигающих высоты 60–90 метров бурых водорослей.
Специалисту нужно сделать лишь шаг вперед, чтобы перейти от восприятия океана как природной системы поддержания жизни к попытке начать на научной основе извлекать из этой системы энергию.
3.1 Водоросли − одновременно дешевое и высокопродуктивное сырье для получения биотоплива.
Одно из преимуществ данного вида топлива− его биологическая разложимость и относительная безопасность для окружающей среды при его утечке. Тем не менее, водорослевое топливо имеет свои трудности при производстве такие, как потребность в большой площади для выращивания водорослей. Например, министерство США полагает, что если стана заменит нефтяное топливо водорослевым, то на фермы потребуется около 38849 квадратных километров, что примерно соответствует площади штата Мэриленд.
Максимальный объем биотоплива получают путем преобразования органического вещества в топливо, однако существует альтернативный подход, основанный на том, что некоторые водоросли способны вырабатывать этанол, который можно собирать, не уничтожая растение.
3.2 Также из водорослей можно получить жидкое топливо. Жидкое биотопливо из водорослей относится даже к отдельному и самому современному поколению биотоплив — третьему. Биотопливом первого поколения считается обычно жидкое биотопливо на основе культур, содержащих сахар или крахмал (кукуруза, рожь, пшеница, сахарная свекла и другие), либо масличных культур (рапс, соя, подсолнечник и прочие). Биотопливо второго поколения возможно получать в результате переработки лигноцеллюлозной биомассы (сельскохозяйственные и отходы лесоводства — солома сельхозкультур, органические вещества из городского мусора). Это сырье более устойчиво к расщеплению, чем сахар, крахмал и масло, к тому же все пока известные биотоплива дороже традиционных видов топлива в разы.
Отличительная особенность водорослей, если сравнивать с сырьем для биотоплив первого и второго поколений, водоросли можно выращивать на землях и в водоемах, не пригодных для сельского хозяйства. Для их выращивания также могут использоваться закрытые фитобиореакторы. Рост происходит посредством естественного фотосинтеза, для которого требуется солнечный свет, воды и углекислый газ, а также питательные вещества. Растущие водоросли потребляют углекислый газ, обеспечивая снижение объемов парниковых газов в атмосфере. Водоросли вырабатывают больший объем биотоплива с 0,4 га занимаемых площадей, чем источники биотоплива на базе сельскохозяйственных культур.
В последние годы ученые и специалисты из Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) Российской академии сельскохозяйственных наук развивают очень интересные в плане дальнейшего практического использования инновационные технологии получения биотоплив из так называемых микроводорослей.
В качестве возобновляемого топлива специалисты рассматривают и биогаз. Биогаз− вещество, содержащее 45–70 % метана, 25–55 % двуокиси углерода, водяного пара (0–10 %) и 0–3 % других газов. Биогаз образуется при разложении органических веществ под воздействием аэробных микроорганизмов.
В своем исследовании организация Greenpeace отмечала, что природный газ является единственным допустимым видом топлива на период перехода на альтернативные возобновляемые источники энергии. Заявление следует считать обоснованным так, как например газовые электростанции выбрасывают в атмосферу примерно на 50 % меньше углекислого газа, по сравнению со станциями, работающими на угле.
3.3 Чёрное море — важный район транспортных перевозок, а также один из крупнейших курортных регионов Евразии. Помимо этого, Чёрное море сохраняет важное стратегическое и военное значение.
Водный обмен Черного моря и Средиземным осуществляется через мелководный пролив Босфор. По сути, этот водоем изолирован от Мирового океана и представляет собой отстойник, где тысячелетиями скапливался сероводород, из-за насыщенности которого на глубинах свыше 150–200м отсутствует жизнь (за исключением ряда анаэробных бактерий).
Вопрос появления сероводорода в море достаточно спорный: одни ученые считают, что бактерии выделяют его из сульфитов и сульфатов, другие придерживаются гидротермальной гипотезы, т. е. поступления сероводорода из трещин на морском дне. Третьи полагают, что он образуется из-за гниения невидимых простому глазу животных и растений.
Предложения, как можно применять этот газ в народном хозяйстве, звучали в СССР. Существовала научная государственная программа по этому вопросу. Изобретатель Лев Юткин, которого считают «русским Теслой», в 1979 г. предлагал проект: поднимать придонные слои черноморской воды и подвергать ее электрогидравлическим ударам, выделяя сероводород. Полученный газ сжигать. Сгорая, килограмм сероводорода дает примерно16 КДж.
На сегодняшний день Московская компания «ВИМИС» с группой ученых разработала уникальный проект, который позволит в качестве эксперимента поставить одну показательную установку в Новороссийске. Она позволит обеспечить город и его жителей 250 тонн пресной воды в сутки и 20 мВт электроэнергии, при этом в Черном море будет уменьшаться сероводородный слой, а, следовательно, и угроза взрыва или пожара на море.
Также когда установка будет выведена на проектную мощность, она ежедневно сможет давать до тонны тяжелой воды. Желающих покупать ее достаточно как в России, так и за рубежом. Тяжелую воду используют в любом атомном реакторе: она замедляет реакцию и служит теплоносителем.
В завершении данной работы хотелось бы отметить, что энергетическая проблема человечества относится к разряду глобальных и рассматривается обычно как важнейшая энергосырьевая проблема. Бытующее до недавнего времени представление о том, что первичные энергетические ресурсы нашей планеты неисчерпаемы, а окружающая нас среда может выдержать любую антропогенную нагрузку, обоснованно уходит в прошлое.
Литература:
- Половинкин В. Н., Фомичев А. Б. Энергетические запасы и ресурсы. Мировая энергетика XXI века том2 — СПб.: СПбГМТУ, 2014- 252 с.
- Быстицкий Г. Ф. Общая энергетика: Учеб. пособие для студ. выш. учеб. заведений — М: Издательский центр «Академия»,2005.- 208 с.
- Васильев Ю. С., Хрисанов Н. И. Экология использования возобновляющихся энергоисточников. Л.: — Изд-во Ленингр. ун-та. 1991.- 343
