Океан как источник энергии будущего

Возобновляемые источники энергии в океанах

До недавнего времени распространение возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнца, происходило на земле. Энергия океанов оставалась практически незадействованной. Но времена меняются. Производство экологически безопасной энергии из океанов приобретает все больше сторонников по всему миру. Многое еще впереди. Ожидается, что ветер, волны и течения океанов внесут значительную долю в удовлетворение энергетических потребностей человека.

Скрытый клад

В океанах кипит энергия. Сила прилива передвигает огромные массы воды. Сильные ветры вызывают большие волны. Почти 90% мировой энергии ветра содержится в турбулентности над поверхностью морских вод. Ветер, волны и течения вместе взятые содержат в 300 раз больше энергии, чем потребляется человечеством в настоящий момент. Долгое время это изобилие не было использовано. В последние годы, однако, мы начинаем приручать эту энергию. Построены первые морские ветряные электростанции. Сотни генераторов строятся, чтобы конвертировать энергию морских течений и волн в электричество. Основными видами морской возобновляемой энергии являются:

· Энергия ветра
· Энергия волн
· Энергия прилива
· Энергия морских течений
· Энергия, получаемая из-за различий температур на различных глубинах океана (преобразование тепловой энергии океана в электрическую – OTEC),
· Энергия, получаемая из-за различий содержания соли в соленой и пресной воде (осмотическая энергия).
Теоретически эти источники энергии могут удовлетворить потребности всей человеческой расы. Однако, только часть из этого потенциала можно использовать: разработка многих морских районов, таких как глубокая часть морей, практически недостижима, стоимость прокладки кабеля делает такие проекты нерентабельными.

Многие потенциальные места в прибрежных районах также не могут быть использованы, так как они либо отведены под рыболовство, либо под судоходство, либо защищены законом. Тем не менее, эти виды возобновляемой энергии все же могут удовлетворить значительную долю потребностей человечества в электроэнергии в будущем.

Оффшорная ветряная энергия

Ветряная энергия сейчас является на самом продвинутом этапе своего развития, и перспективы очень многообещающи. Эксперты оценивают, что только морская ветряная энергия может в будущем поставить около 5 000 тераватт-часов (TWh) электричества в год по всему миру, что примерно составляет до трети текущего потребления электроэнергии 15 500 тераватт-часов (1 тераватт-час составляет 1 триллион ватт). Ожидается, что оффшорные ветряные электростанции только в Европе смогут поставлять около 340 тераватт-часов энергии в год к 2015 году.

На данный момент всего в мире было осуществлено около 40 проектов по морской ветряной энергии, большинство из них находятся в Великобритании, Дании, Нидерландах и Швеции. Очевидны две тенденции. Одна в том, что установки становятся все больше и больше в размерах, и вторая в том, что установки постоянно перемещаются все глубже в морские воды, что позволит строить такие ветряные электростанции на больших площадях. Тогда как в начале этого столетия ветряные станции строились в прибрежных районах на глубине от 2 до 6 м, ветряные турбины сейчас крепятся к океанскому дну на глубинах более 40 м.

Разрабатываются также плавучие оффшорные концепты и для больших глубин. Первый в мире плавучий завод по производству электроэнергии недавно был построен вблизи побережья Норвегии норвежско-германским консорциумом. Благодаря опыту строительства сотен тысяч ветряных электростанций на суше технология ветряной электроэнергии в море является достаточно исследованным источником энергии.

Однако, высокая скорость ветра и суровые природные условия в море означают, что требуются некоторые технологические улучшения, это факт, который выявился после возникновения проблем при строительстве первой крупной ветряной электростанции в море в Дании. По этой причине только 12 ветряных турбин от различных производителей изначально были построены и протестированы на немецкой первой морской ветряной электростанции ‘Alpha Ventus’. Находящаяся в Северном море в 40 км от острова Боркум, эта ветряная станция была спонсирована Федеральным министерством экономики Германии.

Строительство таких заводов в море все еще стоит дороже, чем на суше, из-за сложных работ в основании и непростых соединений с линиями. Тем не менее, согласно экспертам, отрасль оффшорной ветряной энергии, поддержанная инвестициями, продолжит значительно расти в ближайшие годы.

Более подробно почитать о развитии оффшорных ветроэлектростанций можно в этой статье, а ознакомиться с судами, который занимаются их установкой можно тут.

Энергия волн

Мировой технический потенциал энергии волн оценивается на уровне 11 400 терраватт-час в год. Его возобновимый потенциал на 1 700 терраватт-часов в год составляет примерно 10% мировых потребностей в электроэнергии. Существуют различные концепции генерации электричества из энергии волн, большинство из которых могут быть классифицированы в три основных типа:

• Принцип «осциллирующего водяного столба» – действие волны вынуждает воду двигаться вверх и вниз в заполненной воздухом камере. Воздух вытесняется через турбину, которая генерирует электричество. Первые пилотные волновые электростанции такого типа были установлены недавно в Португалии, Шотландии и Японии.

• Принцип «колеблющегося тела» – волновые электростанции этого типа используют движение океанских волн для генерации электричества. В них используются полуогружные генераторы, на которых буек двигается вверх-вниз либо из стороны в сторону. Другие системы такого типа состоят из подвижных компонентов, которые двигаются относительно друг друга, создавая гидравлическое давление в масле. Масло, в свою очередь, приводит в движение турбину. Система ‘Pelamis’, первая в мире волновая электростанция, была установлена в 2008 году вблизи побережья Португалии и соединена с электролинией подводным кабелем. Подобные станции планируются к постройке в Испании и Португалии.

• Принцип «перелива» – как в дамбе, такие устройства оснащены резервуаром, который заполняется набегающими волнами до уровня выше уровня моря. Энергия падающей воды обратно в океан используется, чтобы приводить в движение турбину. Прототипы и плавучих, и стоячих систем такого типа уже были установлены в Дании и Норвегии.

Энергия прилива

Электростанции, работающие на энергии прилива, работают по схожему принципу с гидроэлектростанциями, отличие в том, что водяные массы не текут вниз, но движутся туда и обратно с приливами и отливами. В отличие от других форм морской энергии, энергия прилива уже используется в коммерческих целях в течение некоторого времени. Электростанция La Rance начала работать в 1966 в Сент Мало на Атлантическом побережья северной Франции, где река LaRance впадает в море. При приливе вода устремляется через большие турбины электростанции, а при отливе течет обратно. Электростанция, рассчитанная на 240 мегаватт, имеет мощность, схожую с газовой электростанцией. За последние 20 лет похожие станции были установлены в Канаде, Китае, России, хотя и значительно меньшего размера. В Великобритании планируется строительство крупной электростанции на энергии прилива на реке Северн между Англией и Уэльсом. Такая станция может обеспечить до 7% потребностей всей Великобритании в электроэнергии.

Однако критики опасаются, что строительство таких дамб может разрушить природные ресурсы и среду обитания. Экологический вред может быть очень значительным. По этой причине сейчас обсуждаются альтернативные концепции и районы размещения.

Энергия океанских течений

Энергия океанских течений также может быть применена в генерации электричества, с использованием погружных роторов, которые приводятся в движение течениями. Оценивается, что электростанции на энергии приливов и морских течений совместно могут поставить до 100 терраватт-часов электричества в год в мировом масштабе.

Уже некоторое время проводятся тесты на концепциях роторов, таких как система Seaflow, прототип которой начал работу вблизи побережья Англии в 2003 году. Его последователь, SeaGen, сейчас работает в Странгфорд Нерроус вблизи побережья Ирландии. По этой концепции два ротора устанавливаются на корпусе электростанции. Это увеличивает выработку электричества и снижает высокую стоимость постройки.

Такие установки в океанах должны выдерживать очень суровые условия с подводными течениями и волнами, намного сильнее, чем, например, ветряные турбины, и по этой причине требуется их длительное тестирование на прочность. Тем не менее, технология SeaGen очень близка с моделью ветряной турбины. Угол лопасти и скорость вращения могут настраиваться, чтобы подстроиться с превалирующим течением. Другие концепции основываются на фиксированных, ненастраиваемых системах.

Энергия от разности температур слоев воды

Технология преобразования тепловой энергии океана в электрическую использует разницу температур в воде на поверхности океана и глубоких слоях воды для производства электроэнергии. Чтобы запустить цикл на такой электростанции разница температур должна быть как минимум 20 градусов. Следовательно, технология подходит для более теплых морских районов. Теплая вода используется, чтобы выпарить жидкость, кипящую на низких температурах, производя пар, который приводит в движение турбину. Холодная морская вода (4-6 градусов) затем закачивается с глубины нескольких сотен метров и используется для охлаждения и конденсации пара обратно в жидкое состояние.

До недавнего времени стоимость строительства электростанций OTEC была слишком высокой из-за трубопроводов длиной более 100 м и мощных насосных систем. Правительство США поддержало развитие и тестирование OTEC в середине 1970х, но финансирование было прекращено в 1980х. Однако, интерес к этой технологии возобновился в недавнее время. Американско-тайваньский консорциум планирует строительство установки мощностью на 10 мегаватт на Гаваях. Кроме того, общественные организации и бизнес во Франции запустили инициативу IPANEMA, которая направлена на продвижение как океанских возобновимых источников энергии, так и технологии OTEC. Оценивается, что OTEC имеет потенциал в несколько тысяч терраватт-часов электроэнергии в год. В отличие от энергии ветра и волн, эта форма производства электричества не подвержена колебанию погодных условий.

Энергия, получаемая от разности содержания соли в пресной и морской воде

Осмотическая электростанция – совершенно новый вид генерации энергии. Он использует осмотическое давление, которое возникает между соленой и пресной водой, когда они накачиваются в двойную камеру и разделяются специальной полупроницаемой мембраной. Технология все еще находится в самом начале своего развития. В 2009 члены норвежского синдиката построили первую в мире осмотическую электростанцию в Осло фьорде. Завод был разработан специально, чтобы развивать эту технологию, в настоящее время он генерирует всего несколько киловатт электричества. Однако значительный потенциал мирового производства электроэнергии из осмотического процесса в будущем может принести до 2000 тераватт-часов в год.

Правительственная помощь в развитии энергетических систем будущего

Нет сомнения, что были сделаны большие шаги в развитии технологий возобновляемой энергии, получаемой из океанов. Хотя многие технологии обещают коммерческую выгоду, однако, почти все из них зависят от дотаций, так как они разрабатываются небольшими молодыми компаниями. Кроме технологического и экономического риска, сложностью также является достижение проектных размеров, для которых могут потребоваться значительные инвестиции. Субсидии для этих технологий жизненноважны. Различные страны предлагают такие программы.

Департамент энергии США и ЕС уже инвестируют несколько сотен миллионов евро в их развитие. Сложное согласование строительства заводов и подведения высоковольтных линий также должно быть упрощено. В Германии разрешение на морскую ветряную электростанцию находится полностью в руках Федерального морского и гидрографического агентства, но в США операторы электростанций должны пробиваться через различные агентства и разрешения. Ослабление этих правил принесло бы значительную пользу развитию возобновляемых источников энергии в мире.

Правильное расположение экологически чистых электростанций

В будущем до строительства энергетических систем в море должны будут осуществляться экологические оценки того, как технология влияет на морскую экологическую среду. Многие подходящие районы расположения электростанций, вероятно, будут запрещены на экологических основаниях. Следовательно, эксперты разливают между техническим потенциалом энергетической технологии и его возобновимым потенциалом. В технический потенциал входят все места расположения электростанций, которые теоретически осуществимы. В возобновимом потенциале учитываются экологические факторы, такие как ущерб, наносимый заводом рекам. Возобновимый потенциал соответственно ниже, чем технический. Эксперты говорят о необходимости территориального планирования океанских технологий возобновимых источников энергии. До настоящего момента различные процессы получения разрешений применялись к ветряным и волновым электростанциям. Чтобы сократить процесс получения разрешений и планирования, было бы рационально совместить несколько технологий производства электроэнергии в территориальном планировании, тем самым отдавая морские районы целиком для возобновляемых источников энергии. Таким образом, было бы намного легче совместить разные технологии в одном районе, например, ветряные турбины, на которых также установлены электростанции на энергии подводных течений.

Источник

Мировой океан примет и накормит разрастающееся человечество?

В 2011 году население Земли превысило 7 млрд человек. Фонд ООН в области народонаселения (UNFPA) прогнозирует, что к 2050 году численность населения нашей планеты достигнет 9,3 млрд человек, а к 2100 году – превысит 10 млрд. Если рождаемость повысится, то к концу столетия людей на Земле будет еще больше – 15 млрд. К сожалению, в наиболее активных в демографическом отношении регионах уровень жизни невысок. При этом сегодня налицо очень неравномерное распределение доходов, и сложно ожидать, что в будущем наиболее богатые поделятся своими благами с растущим количеством малоимущих людей. Единственный выход и спасение человечества – поиск нового источника пищи, энергии, а главное — места приложения растущего человеческого ресурса.

Спасение таится в мировом океане, занимающем более двух третей поверхности Земли. Именно это место богато ресурсами и лишено многолетнего груза политических и социальных проблем, которые делают невозможными освоение многих регионов суши. Сегодня ученые и специалисты только начинают рассматривать океан как одну из немногих надежд человечества на выживание. Однако ряд перспективных проектов уже сейчас дает возможность представить будущее нашей цивилизации, тесно связанное с океаном.

Проблема глобального энергодефицита сложнее, чем кажется на первый взгляд. И дело не только в удорожании ядерного и углеводородного топлива, которое слишком дорого обходятся небогатым странам. Проблема в том, что в настоящее время десяток стран потребляет более 75% всей производимой мировой электроэнергии, причем этот показатель растет с каждым годом, несмотря на принимаемые меры по энергосбережению. При этом в Индии половина сельских домов не подключены к электросети, а это значит, что в будущем, после тотальной электрификации, потребность в энергии возрастет многократно, и беднейшие регионы начнут догонять по энергопотреблению регионы более богатые.

Пока трудно сказать, как быстро будет достигнут предел коммерческой эффективности угольных, газовых, ядерных, солнечных и ветровых наземных электростанций. Такие исследования в глобальном масштабе еще никогда не проводились, однако понятно, что развитие современной энергетики рано или поздно «упрется» в потолок дефицита земли и сверхдороговизны энергии, которая не обеспечивается покупательной способностью.

Немецкий проект SkySails предлагает использовать постоянные сильные морские ветры в качестве источника электроэнергии

И здесь взоры ученых обращаются к океану. Прежде всего, их привлекает его гигантский энергетический потенциал. В последнее время начата разработка нескольких интересных проектов морских возобновляемых источников энергии. Немецкий проект SkySails предлагает использовать постоянные сильные морские ветры в качестве источника электроэнергии. Необычность проекта – в уникальной конструкции ветряка. Он представляет собой дешевую и простую в установке невысокую опору (можно даже привязной понтон), на которую установлен генератор, компьютер и барабан с тросом. Трос с помощью компьютерных алгоритмов удерживает в воздухе воздушный парус, кайт. В потоке воздуха кайт поднимается вверх, как воздушный змей, а затем опускается вниз. В процессе этого движения вращается барабан и вырабатывается электроэнергия. В случае ненастья или изменения ветровых условий компьютер разматывает или сматывает трос, поддерживая максимальную эффективность установки или оберегая кайт от поломок.

Такая конструкция ветряка имеет неоспоримые преимуществе перед обычными ветровыми турбинами с вертикальными лопастями

Такая конструкция ветряка имеет неоспоримые преимуществе перед обычными ветровыми турбинами с вертикальными лопастями. Прежде всего, не надо строить дорогостоящую высокую опору, ориентируясь на максимальную силу высотных ветров. Кайт может подниматься на большую высоту и ловить ветер на высоте от 200 до 800 метров в зависимости от погоды, что обычному ветряку не под силу. SkySails также может использоваться и на морских судах — в качестве дополнительного источника энергии.

Солнечные панели на воде

В настоящее время земля на побережье в большом дефиците, при этом тенденция последних лет указывает на рост плотности населения не в центре материков, а именно на побережьях. Океан может представить огромные площади для размещения энергогенерирующих мощностей. Австралийская компания Sunengy предлагает размещать солнечные панели прямо на поверхности океана. Проект под названием Liquid Solar Arrays (LSA) предполагает размещение массивов солнечных панелей на плаву, причем не только в океанах, но и на поверхности озер, искусственных водоемов вблизи плотин, АЭС и т.д.

Солнечная панель LSA имеет весьма оригинальную конструкцию, выполненную из недорогих материалов. Она состоит из поплавков, фокусирующей солнечный свет линзы (кусок пластика на раме любой формы) и собственно фотоэлектрической ячейки. Подобная конструкция имеет массу преимуществ. Использование поплавков позволяет обойтись без подводных опор и легко объединять отдельные модули в массивы панелей. Дешевый пластиковый концентратор направляет солнечный свет на небольшую солнечную панель размером не в метры, а считанные сантиметры. При этом панель охлаждается морской водой, что повышает ее эффективность и предотвращает перегрев. Таким образом LSA является дешевым и эффективным способом использовать водную поверхность для установки электростанций мощностью до 1 гигаватта.

Если в солнечном регионе покрыть панелями LSA поверхность водохранилища ГЭС, можно увеличить годовую выработку электроэнергии вдвое. Также плавучие солнечные электростанции можно использовать и для снабжения энергией побережья, буровых платформ, островных курортов и т.д.

Тепло – в электричество

Мы умышленно пропускаем использование энергии морских волн, поскольку до сих пор не созданы надежные приливные электростанции. Ни одна опытная установка не протянула в открытом океане дольше полугода – штормы и подводная флора и фауна разрушают небольшие электростанции. Есть надежда, что более крупные приливные турбины смогут проработать не один десяток лет, проектирование и испытания таких установок уже ведутся. Трудно сказать, во сколько обойдется строительство и эксплуатация гигантских подводных турбин, к тому же, их влияние на экологию пока под большим вопросом.

Преобразование тепловой энергии океанов в электричество (OTEC) является очень перспективной технологией, которая соответствует гигантским масштабам океанов

А вот преобразование тепловой энергии океанов в электричество (OTEC) является очень перспективной технологией, которая соответствует гигантским масштабам океанов. В среднем за день 60 млн кв. км тропических морей поглощают солнечное излучение эквивалентное сжиганию примерно 250 млрд баррелей нефти. Если использовать менее 0,1% этой энергии, она в 20 раз перекроет дневную потребность в электроэнергии крупнейшего потребителя в мире, США.

OTEC использует разницу температур между теплыми приповерхностными и холодными придонными водами. Теплая вода испаряет рабочую жидкость с низкой температурой кипения, вроде аммиака, а холодная вновь возвращает ее в жидкое состояние. Давление пара в процессе испарения крутит турбины и вырабатывает электричество – «дармовое» и неисчерпаемое, пока светит Солнце. Пока разница температур приповерхностных и придонных вод составляет примерно 20°C, система OTEC может производить огромное количество энергии – тысячи мегаватт. Причем непрерывно, вне зависимости от погоды и цен на нефть или газ. Более того, OTEC-станция мощностью, например, 2 МВт может производить до 4,3 тыс. кубометров пресной воды, охлаждать поля и другие объекты, служить базой для добычи ценных веществ, растворенных в морской воде.

OTEC использует разницу температур между теплыми приповерхностными и холодными придонными водами

Над этой технологией (как, впрочем, и над многими другими, включая приливные турбины) работают компании, нанятые военно-морскими силами США. В ближайшее время у побережья Гавайских островов будет построена первая опытно-промышленная установка. Цена такой электростанции невысока: 2,5 млн долл. за 1 МВт при сроке службы станции в 25 лет. 14-МВт электростанция OTEC, которую компания OTECPOWER планирует разместить у западного побережья Индии обойдется в 50 млн долл. Для сравнения: требующие уйму сырья угольные и газовые электростанции стоят приблизительно 2 млн долл. и 1,5 млн долл. за 1 МВт соответственно, а атомная — 2,7 млн долл. за 1 МВт.

Морские водоросли – настоящая панацея для решения будущих проблем с дефицитом топлива и продовольствия. Водоросли — одно из самых быстрорастущих растений в мире, и около 50% их веса составляет масло, которое можно переработать в биотопливо. Водоросли не нуждаются в пресной воде и потребляют только углекислый газ, который является одним из основных вредных побочных продуктов промышленности.

Морские водоросли – настоящая панацея для решения будущих проблем с дефицитом топлива и продовольствия [ 1 ] [ 2 ]

Источник