Основные энергетические ресурсы мирового океана

24. Энергетические ресурсы Мирового океана

Особенно привлекает внимание энергия приливов (точнее, приливно-отливных движений воды, которые по предложению одного из виднейших российских океанологов Ю. М. Шокальского принято называть одним термином – приливы). Приливные явления известны людям с незапамятных времен и в жизни многих прибрежных стран играли и играют очень большую роль, в какой-то мере определяя весь ритм их жизни.

Общеизвестно, что приливы и отливы происходят два раза в сутки. В открытом океане амплитуда между полной и малой водой составляет примерно 1 м, но в пределах континентального шельфа, особенно в заливах и эстуариях рек, она бывает значительно большей. Суммарную энергетическую мощность приливов обычно оценивают от 2,5 млрд до 4 млрд кВт. Добавим, что энергия только одного приливно-отливного цикла достигает примерно 8 трлн кВт-ч, а это лишь немногим меньше общей мировой выработки электроэнергии в течение целого года. Следовательно, энергия морских приливов – неисчерпаемый источник энергии.

Добавим и такую отличительную черту приливной энергии, как ее постоянство. Океан, в отличие от рек, не знает ни многоводных, ни маловодных лет. К тому же он «работает по графику» с точностью до нескольких минут. Благодаря этому количество вырабатываемой на приливных электростанциях (ПЭС) электроэнергии всегда может быть заранее известно, в отличие от обычных ГЭС, на которых количество получаемой энергии зависит от режима реки, связанного не только с климатическими особенностями территории, по которой она протекает, но и с погодными условиями.

Тем не менее ученые считают, что технически возможно и экономически выгодно использовать лишь очень небольшую часть приливного потенциала Мирового океана (по некоторым оценкам, только 2 %). При определении технических возможностей большую роль играют такие факторы, как характер береговой линии, форма и рельеф дна, сила волн и ветра. Опыт показывает, что для эффективной работы ПЭС высота приливной волны должна быть не менее 5 м. Чаще всего такие условия возникают в узких заливах и эстуариях рек. Но подобных мест на земном шаре не так уж много: по разным источникам 25, 30 или 40.

Считается, что наибольшими запасами приливной энергии обладает Атлантический океан. В его северо-западной части, на границе США и Канады, находится залив Фанди, представляющий собой внутреннюю суженную часть более открытого залива Мэн. Этот залив знаменит самыми высокими в мире приливами, достигающими 18 м. Очень высоки приливы и у берегов Канадского Арктического архипелага. Например, у побережья Баффиновой Земли они поднимаются на 15,6 м. В северо-восточной части Атлантики приливы до 10 и даже 13 м наблюдаются в проливе Ла-Манш у берегов Франции, в Бристольском заливе и Ирландском море у берегов Великобритании и Ирландии.

Велики также запасы приливной энергии в Тихом океане. В его северо-западной части особенно выделяется Охотское море, где в Пенжинской губе (северо-восточная часть залива Шелихова) высота приливной волны составляет 9—13 м. На восточном побережье Тихого океана благоприятные условия для использования приливной энергии имеются у берегов Канады, Чилийского архипелага на юге Чили, в узком и длинном Калифорнийском заливе Мексики.

В пределах Северного Ледовитого океана по запасам приливной энергии выделяются Белое море, в Мезенской губе которого приливы имеют высоту до 10 м, и Баренцево море у берегов Кольского полуострова (приливы до 7 м). В Индийском океане запасы такой энергии значительно меньше. В качестве перспективных для строительства ПЭС здесь обычно называют залив Кач Аравийского моря (Индия) и северо-западное побережье Австралии.

К числу энергетических ресурсов Мирового океана относят также кинетическую энергию волн. Энергию ветровых волн суммарно оценивают в 2,7 млрд кВт в год. Опыты показали, что ее следует использовать не у берега, куда волны приходят ослабленными, а в открытом море или в прибрежной зоне шельфа. В некоторых шельфовых акваториях волновая энергия достигает значительной концентрации: в США и Японии – около 40 кВт на 1 м волнового фронта, а на западном побережье Великобритании – даже 80 кВт на 1 м.

Еще один энергетический ресурс Мирового океана – океанические (морские) течения, которые обладают огромным энергетическим потенциалом. Достаточно вспомнить, что расход Гольфстрима даже в районе Флоридского пролива составляет 25 млн м 3 /с, что в 20 раз превышает расход всех рек земного шара. А после того как Гольфстрим уже в океане соединяется с Антильским течением, его расход возрастает до 82 млн м 3 /с. Уже не раз предпринимались попытки подсчитать потенциальную энергию этого потока шириной 75 км и толщиной 700–800 м, двигающегося со скоростью 3 м/с.

Когда говорят об использовании температурного градиента, то имеют в виду источник уже не механической, а тепловой энергии, заключенной в массе океанских вод. Обычно разность температур воды на поверхности океана и на глубине 400 м составляет 12 °C. Однако в акваториях тропиков, расположенных между 20° с. ш. и 20° ю. ш., верхние слои воды в океане могут иметь температуру 25–28 °C, а нижние, на глубине 1000 м, – всего 5 °C. Именно в таких случаях, когда амплитуда температур достигает 20° и более, считается экономически оправданным использование ее для получения электроэнергии на гидротермальных (моретермальных) электростанциях.

Теоретическая возможность такого использования сильного перепада температур океанских вод была доказана французскими учеными и инженерами еще в конце XIX в. Однако вплотную к техническому осуществлению этой идеи подошли только в 70-х гг. XX в. По современным представлениям, моретермальная электростанция является плавучей установкой, в теплообменнике которой нагретая Солнцем поверхностная океанская вода подогревает жидкость, испаряющуюся при сравнительно невысокой температуре, например аммиак. Получаемый при этом пар поступает к турбине, которая соединена с генератором, а затем отводится в глубинный холодный слой, где снова превращается в жидкость. Такая система имеет непрерывное действие, не нуждается в горючем и не оказывает отрицательного влияния на окружающую среду. Издержки на ее эксплуатацию также невысоки. Однако моретермальные электростанции требуют больших инвестиционных затрат и имеют низкий (7—10 %) коэффициент преобразования энергии.

В целом же энергетические ресурсы Мирового океана правильнее было бы отнести к ресурсам будущего.

Источник

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ОКЕАНОВ

Мировой океан представляет собой огромный резервуар во­зобновляемых энергетических ресурсов (ВЭР). В настоящее вре­мя развитие океанской энергетики связано с использованием:

· энергии морских волн (приливные, ветровые, зыбь) и те­чений;

· градиентов температур и солености морской воды.

В соответствии с практическим интересом использование вол­новой энергии океана связано с созданием волновых ЭС (ВолЭС), приливных ЭС (ПЭС), электростанций морских течений (ЭСМТ).

Отдельное направление составляют энергоустановки:

· океанские тепловые ЭС (ОТЭС), использующие температур­ный градиент;

· гидротермальные ЭЦ, использующие разницу температур меж­ду водой океана и воздуха в Северных районах.

Суммарная мощность приливов оценивается в 310 12 Вт (за год 10 20 Дж — сравнимо с годовым потреблением энергии насе­лением Земли).

Мировой технический потенциал приливной энергии оцени­вается в 1 млрд кВт (треть от суммарной мощности 3 млрд кВт), что соответствует потенциалу почти всех рек мира и теоретиче­ски дает возможность вырабатывать 2,5. 3 трлн кВт-ч электро­энергии. Специалисты считают, что примерно 50% этой мощно­сти может быть использовано в странах, берега которых омыва­ются морями с высотой прилива более 5 м (Россия, Канада, США, Франция, Англия, Индия, Китай, Юж. и Сев. Корея, Австралия).

Приливная энергия (в отличие от солнечной и ветровой) харак­теризуется неизменностью ее среднемесячного потенциала в се­зонном и в многоголетних циклах, но прерывиста в течение суток.

Чередование приливов и отливов (ежесуточно через 6 ч 12 мин) требует от гидротурбинных ПЭС способности работать при пере­менных направлениях вращения (капсульные агрегаты типа тур­бина — насос).

По оценкам экспертов сейчас в мире насчитывается 5 мест наиболее благоприятных для строительства ПЭС:

· два смежных залива в Канаде (Фанди) и в США (Пас-

· Французское побережье вдоль Ла-Манша и устье реки Ране;

· устья (эстуарии) рек Англии, впадающих в Ирландское море;

· побережье Кимберли в Австралии;

· побережье Белого моря в России.

В случае полного освоения этих пяти зон и при 20% извле­чения энергии приливов на ПЭС можно получить 30 тыс МВт, т. е. примерно мощность 10 современных крупных АЭС. Этого достаточно для местного энергоснабжения.

ПРИЛИВНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Приливная электростанция (ПЭС), электростанция, преоб­разующая энергию морских приливов в электрическую. ПЭС ис­пользует перепад уровней «полной» и «малой» воды во время прилива и отлива. Перекрыв плотиной залив или устье впада­ющей в море (океан) реки (образовав водоем, называют бассей­ном ПЭС), можно при достаточно высокой амплитуде прилива (> 4 м) создать напор, достаточный для вращения гидротурбин и соединенных с ними гидрогенераторов, размещенных в теле плотины. При одном бассейне и правильном полусуточном цикле приливов ПЭС может вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4. 5 ч с перерывами соответственно 2. 1 ч четырежды за сутки (такая ПЭС называется однобассейновой двустороннего действия). Для устранения неравномерности выработки электро­энергии бассейн ПЭС можно разделить плотиной на два или три меньших бассейна, в одном из которых поддерживается уровень «малой», а в другом — «полной» воды; третий бассейн — резерв­ный; гидроагрегаты устанавливаются в теле разделительной пло­тины. Но и эта мера полностью не исключает пульсации энергии, обусловленной цикличностью приливов в течение полумесячно­го периода. При совместной работе в одной энергосистеме с мощ­ными тепловыми (в т. ч. и атомными) электростанциями энергия, вырабатываемая ПЭС, может быть использована для участия в покрытии пиков нагрузки энергосистемы, а входящие в эту же

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ОКЕАНОВ И МОРЕЙ

систему ГЭС, имеющие водохранилища сезонного регулирования, Могут компенсировать внутримесячные колебания энергии при­ливов.

На ПЭС устанавливают капсульные гидроагрегаты, которые могут использоваться с относительно высоким КПД в генератор­ном (прямом и обратном) и насосном (прямом и обратном) режи­мах, а также в качестве водопропускного отверстия. В часы, ког­да малая нагрузка энергосистемы совпадает по времени с «ма-лой» или «полной» водой в море, гидроагрегаты ПЭС либо от­ключены, либо работают в насосном режиме — подкачивают воду и бассейн выше уровня прилива (или откачивают ниже уровня Отлива) и таким образом аккумулируют энергию до того момен­та, когда в энергосистеме наступит пик нагрузки (рис. 6.1). В слу­чае, если прилив или отлив совпадает по времени с максимумом нагрузки энергосистемы, ПЭС работает в генераторном режиме. Таким образом, ПЭС может использоваться в энергосистеме как пиковая электростанция.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ОКЕАНОВ И МОРЕЙ

Использование приливной энергии ограничено главным об­разом высокой стоимостью сооружения ПЭС.

В целях ее снижения в СССР впервые в мировой практике строительства ГЭС при возведении ПЭС был предложен и ус­пешно осуществлен так называемый наплавной способ, приме­няющийся в морском гидротехническом строительстве (тоннели, доки, дамбы и т. п. сооружения). Сущность способа состоит в том, что строительство и монтаж объекта производятся в благоприят­ных условиях приморского промышленного центра, а затем в со­бранном виде объект буксируется по воде к месту его установки. Таким способом в 1963-68 гг. на побережье Баренцева моря в губе Кислой (Шалимской) была сооружена первая в СССР опытно-промышленная ПЭС (рис. 6.2 и 6.3).

Здание ПЭС (36x18x15 м) из тонкостенных элементов (тол­щиной 15. 20 см), обеспечивающих высокую прочность при не­большой массе сооружения, было возведено в котловане на бере­гу Кольского залива, близ г. Мурманска. После монтажа обору­дования и испытания корпуса здания на водонепроницаемость котлован был затоплен, здание на плаву вывели в море и отбукси­ровали в узкое горло губы Кислой. Здесь во время отлива оно было установлено на подводное основание и соединено сопряга­ющими дамбами с берегами; тем самым было перекрыто горло губы и создан бассейн ПЭС. В здании ПЭС размещены два обра­тимых гидроагрегата мощностью 400 кВт каждый. ПЭС 28 де­кабря 1968 г. дала промышленный ток.

В России выполнены проекты Тугурской ПЭС и Пенжинской ПЭС на Охотском море, энергия которых может быть передана в энергодефицитные районы Юго-Восточной Азии. На Белом море проектируется Мезенская ПЭС энергию которой предпола­гается направить в Западную Европу по объединенной энергоси­стеме «Восток-Запад».

Наплавная «российская» технология строительства ПЭС, апробированная на Кислогубской ПЭС и на защитной дамбе (‘-Петербурга, позволяет на треть снизить капитальные затраты но сравнению с классическим способом строительства гидротех­нических сооружений за перемычками.

6.4. СОСТОЯНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ОКЕАНОВ В МИРЕ

Первая в мире крупная ПЭС была введена в действие в 1967 г. в устье р. Ране (Франция). Она имела мощность 240 МВт и со­стояла из 24 капсульных агрегатов по 10 МВт. В год здесь вы­рабатывается 544 млн кВт-ч, удельные капительные вложения со­ставили около 1000 долл. США/кВт, что в 2. 2,5 раза выше сто­имости ГЭС аналогичной мощности. Однако эксплуатационные расходы здесь в 2 раза ниже, чем на ГЭС, поэтому вырабатыва­емая на ПЭС энергия одна из самых дешевых во Франции.

В Канаде в 1983 г. введена в эксплуатацию ПЭС «Анаполис» мощностью 20 МВт, годовая выработка электроэнергии 54 млн кВт-ч, удельные капитальные вложения превышают 2000 долл. США.

В Китае в 1959 г. на побережье Южно-Китайского моря вве­дена в эксплуатацию опытная ПЭС мощностью 40 кВт, доведен­ная до 200 кВт, там же в 1970 г. введена вторая станция (три агрегата по 55 кВт (165 кВт)). В 1981 г. на побережье Восточно-Китайского моря введена в действие ПЭС «Джангксия» с одним афегатом мощностью 500 кВт, в 1986 г. мощность станции уве­личена до 3,9 МВт. Предполагается построить ПЭС на 10 МВт.

В настоящее время в США, Канаде, Великобритании и Ин­дии (всего в 13 странах) разрабатываются проекты крупных ПЭС, мощностью до сотен и тысяч мегаватт.

Однако ПЭС «Ране» во Франции до сих пор остается един­ственной крупной приливной электростанцией.

В нашей стране разработки в области приливной энергетики велись давно. В 50-х годах созданы теоретические основы при­ливной энергетики. В 1960 г. Гидропроектом подготовлен проект Кислогубской опытно-промышленной ПЭС (г. Мурманск) мощ­ностью 1,2 МВт (три турбины по 400 кВт), годовая выработка электроэнергии 3,9 млн кВт-ч. Далее он был значительно пере­делан. Разрабатывались проекты и других крупных ПЭС для рай­онов: Мезенский залив (Белое море) — мощность 15,2 МВт (41 млрд кВт-ч), Тургутской и Пенжинской створы (Охотское море) (8. 31 МВт).

in ПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ОКЕАНОВ И МОРЕЙ

По оценкам строительство Мезенской ПЭС будет возможно в начале 2010 г., а Тургутской и Пенжинской не ранее 2020 г. Основное препятствие к строительству ПЭС — низкие экономи­ческие показатели.

Энергия, выделяемая при волновом движении масс воды в океане, очень велика.Среднее количество энергии, которое можно получить от волны высотой 3 м, составляет около 90 кВт на 1 м побережья. Однако практическая реализация этой энергии весьма затруднительна. В настоящее время запатентован ряд технических решений, позволяющий с определенной эффектив­ностью решать эту проблему. К ним, в частности, относятся пре­образователи энергии:

· «Утка Солтера» (Эдинбургский университет, Англия) (систе­мы поплавков), его КПД около 85% (другие системы около 50%), по оценкам 12 ВолЭС длиной 50 миль каждая, могли бы обеспечить потребности Великобритании в электро­энергии;

· «Волновой насос» (Г. И. Денисенко, Россия), многомодульная

конструкция из полых сфер;

· «Шарнирный плот Кокерелла», состоящий из поплавков-понтонов.

В 1978 г. в Японии начала давать ток небольшая плавучая ВолЭС мощностью 2 кВт. Здесь волны сжимают воздух, который поступает на лопатки турбины электрогенератора. ВолЭС смон­тирована на судне водоизмещением 500 т.

Отрицательное воздействие ВолЭС связано с блокировкой значительных площадей морских лагун, заливов и т. д.

Кроме того, для ВолЭС характерна очень малая плотность использования энергии; с 1 км 2 площади океана можно получить не более 1 МВт, а для СЭС — 30. 100 МВт, ВЭС — 10 МВт.

В недавнем прошлом определенный интерес вызывала идея использования морских течений для выработки элект­роэнергии.

В США был разработан проект установки (в районах относи­тельно сильных течений) турбины с диаметром рабочего колеса 170 м и длиной ротора 70 м. Однако в дальнейшем, по мере выяв­ления трудностей реализации проекта, работы были остановлены. Не нашли достаточного практического воплощения и реализации выработки электроэнергии на океанских ТЭС.

Эти исследования проводятся в ряде стран (США и Япония) в течение более 15 лет и направлены на создание ОТЭС, ис­пользующих разность температуры воды на поверхности океана (28. 30 °С) и на глубине (4. 7 °С). В 1978 г. в США вблизи Ta-

вайских островов испытана плавучая ОТЭС мощностью 50 кВт. С 1980 г. действует государственная программа по разработке ОТЭС мощностью 40 МВт на шельфе о. Оаху (Гавайи).

В Японии в 1977 г. испытана тропическая ОТЭС мощностью 1 кВт (разница температур 21 °С), а в 1980 г. пущена опытная ОТЭС мощностью 100 кВт. С 1982 г. ведется разработка проекта ОТЭС мощностью 400 МВт.

Выполненные проекты показали, что на ОТЭС можно до-биться следующих показателей: удельный расход морской воды 5 кг /с/кВт и более, удельные капитальные вложения 800.. .1500 долл. США/кВт, стоимость вырабатываемой энергии 0,02. 0,04 долл. США/кВтч, КПД нетто станции 0,02. 0,025.

Единственной страной в мире, которая занимается разработ-кой арктической ОТЭС, являлся бывший СССР, а теперь Россия. Идея ее создания была высказана еще в 1932 г. акад. А. Иоффе. В 1979 г. были проработаны фреоновые турбины. Принципиаль­ные схемы АОТЭС проработаны в Институте проблем морских теxнологий Дальневосточного отделения Российской Академии Наук (ДоРАН).

Дополнительным видом энергии для ОТЭС является энергия, которую можно получить на основе разности солено-стей воды.Потенциал этого источника оценивается в 1 млрд кВт, соизмеримый с тепловым потенциалом океана. Совместное исполь­зование тепловой и химической энергии возможно, если темпера­тура менее соленой воды будет выше температуры более соленой.

Повышение эффективности ОТЭС возможно за счет комби­нированного использования этой энергии и солнечной энергии для нагрева рабочего тела ОТЭС (подогрев жидкости до кипения или перегрев пара перед турбиной в солнечном нагревателе).

Экспертами ЮНЕСКО оценены основные удельные эконо­мические показатели для различных типов ЭС, которые надо рас­сматривать как очень приближенные (табл. 6.1).

Арктические океанические тепловые электростанции могут работать по обычной схеме ОТЭС, основанной на закрытом цик­ле с низкокипящей рабочей жидкостью. В ОТЭС входят: паро­генератор для получения пара рабочего вещества за счет тепло­обмена с морской водой, турбина для привода электрогенератора, устройства для конденсации отработавшего в турбине пара, а так­же насосы для подачи морской воды и холодного воздуха. Более перспективна схема арктической ОТЭС с промежуточным тепло­носителем, охлаждаемым воздухом в оросительном режиме» (См. Б.М. Берковский, В.А. Кузьминов «Возобновляемые источни­ки энергии на службе человека», Москва, Наука, 1987 г., с. 63—65.)

Источник