Міністерствотранспорту та зв’язку України
Дніпропетровськийнаціональний університет залізничноготранспорту ім.ак. В.А.Лазаряна
Кафедра:«Гідравліки та водопостачання»
Реферат
Натему:
«Океанкак источник энергии»
Виконав:
студент 655 групи
Иванов Д.А.
Перевірив:
Мельник І.Є.
Дніпропетровськ2005
Океан какисточник энергии
Океаны покрываютболее 70% поверхности Земли и являются самыми большими в мире коллекторамисолнечной энергии. Потенциал океанов в энергетике велик. Для сравнения,плотность энергии солнечной радиации — 1400 Вт/м², энергии ветра — 1700Вт/м², а тепловой энергии океанов тропических широт – 300 000 Вт/м²!
Тепловые станциив тропиках
Имеются и другиеокеанические возобновляемые источники энергии: биомасса и водород, волны итечения, разность в солености морской и речной воды – однако потенциалприменения тепловой энергия океанов наиболее велик.Вотличие от других возобновляемых источников, тепловая энергии океана по своемуэнергетическому потенциалу сопоставима с безграничными возможностями поставокпервичной тепловой энергии, ожидаемых от термоядерного синтеза. Энергетическиеобъекты мощностью в 1 ГВт могут представлять собой мобильные установкиводоизмещением около 100 000 т. В тропической части океанов возможна работадесятков тысяч таких тепловых электростанций практически в непрерывном режиме".
Сергей Хайтун,кандидат физико-математических наук, в.н.с. Института истории естествознания итехники РАН (ИИЕТ РАН), на вопрос о том, как наука смотрит на процессутилизации тепловой энергии океана, отвечает, что наука свое мнение высказала150 лет назад в работах французского ученого Д´Арсонваля, и дело теперьза техническим воплощением и поиском оптимальных схем, способных обеспечитьмаксимальную эффективность. Д´Арсонваль еще в 1881 г. впервые высказалидею об использовании солнечной энергии, накопленной в океане в виде тепла.Более чем через 40 лет его ученик, Жорж Клод, наконец воплотил идею в жизнь ипостроил на Кубе небольшую систему утилизации термальной энергии океана. Ученыйвыбрал бухту Матанца, в которой большие глубины с высоким перепадом температурыводы подходят к самому берегу. Схема установки проста: в испарителе с частичнымвакуумированием испаряется теплая вода с поверхности моря (температура порядка+27°C). Полученный пар вращает лопасти турбин, которые соединены сгенераторами. Отработанный пар попадает в конденсатор, для охлаждения которогоподается вода с глубины (температура порядка +4°C). Первая экспериментальнаяустановка мощностью 22 кВт потребляла 80 кВт на работу своих насосов.
/>
OTEC на Гавайях
альтернативный энергетический океанический тепловой
Первая успешнаямини-OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) закрытой циркуляции была запущена в1979 г. в Keahole Point (Гавайи). Круглосуточно с августа по октябрь установкапроизводила около 50 кВт, из которых только 12 кВт использовались на полезнуюнагрузку. В течение нескольких последующих лет испытывались усовершенствованныеустановки.
Первый японскийопытный образец, запущенный на острове Науру в 1981 г., выдавал мощность 100кВт, хотя полезной мощности было всего 14,9 кВт. Его главным отличием отамериканского конкурента было расположение станции на острове. Локация не наплавучем основании, а на суше позволила сократить расходы на эксплуатациюсудна-носителя, устройство надежных якорных стоянок, подводный силовой кабельдля передачи электроэнергии на берег, а, главное, обеспечить большуюбезопасность обслуживающего персонала.
В 1992 г. наГавайях был запущен экспериментальный аппарат открытого циклапроизводительностью в среднем 210 кВт, который проработал до 1998 г.
Сейчасразработки новой ОТЭС при финансовой поддержке правительства США ($600 тыс.)ведет компания Lockheed Martin. Завод по преобразованию тепловой энергии океанав электрическую, производительность которого составит 10 МВт, должен появитьсяна Гавайях в 2012-2013 гг.
Остров Реюньон(Франция) был объявлен президентом Николя Саркози в январе этого годанациональной лабораторией для создания океанической тепловой электростанции. Вперспективе, к 2030 г. построенные здесь ОТЭС должны полностью обеспечитьпотребности в электроэнергии всего острова. Бюджет проекта составляет € 7,7млн.
Сегодня освоениетепловой энергии океана входит в национальные программы США, Франции, Японии,Швеции, Индии.
Станции вАрктике
Энергию можнополучать не только из теплых вод тропических или субтропических районовМирового океана, но и из северных или южных бассейнов планеты, то есть из водАрктики и Антарктики. Возможность практической реализации преобразованиятепловой энергии океана в арктических районах в своих работах показал в 1980-хгг. Альберт Ильин, руководитель лаборатории энергетики океана Тихоокеанскогоокеанологического института. Автор отмечает не только важность наличия нужногоградиента температуры, но также и необходимость достаточной скорости ветра искорости течения воды в океане. По расчетам А. Ильина, КПД энергетическойустановки мощностью около 50 кВт в арктических условиях получается в пределах0,79-2,08%. Речь идет о КПД использования тепла воды, что же касается КПД самойустановки, то он достаточно высок и достигает 43%. Эта цифра относится каммиачной установке мощностью 1 МВт. Навозможность использования энергетического потенциала северных широт первымобратил внимание в 1928 г. французский инженер А. Баржо. В качестве нагревателяим предлагалась морская вода с температурой, близкой к 0°С. Холодильникомдолжен был служить морозный воздух. В качестве вторичного рабочего тела былопредложено взять такое вещество, которое кипело бы при температуре несколькониже 0°С и конденсировалось бы в жидкость при температуре минус 20°С. Баржорекомендовал углеводородные соединения типа пропана, бутана или изобутана.
Действительно, вСеверном Ледовитом океане температура в поверхностном слое подо льдом близка к0°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 притокавод атлантического происхождения. Во многих районах Арктики большую часть годатемпература воздуха ниже -10°С. Например, на Новосибирских островах в годубывает всего 2-4 дня с тем температурой воздуха выше -10°С, на побережье моряЛаптевых таких дней от 10 до 14, а на архипелаге Северная Земля их только10-12. В остальное время года здесь царствуют морозы. Таким образом, разностьтемператур подледной воды и воздуха составляет в арктических районах более 26°Си может быть использована для генерации электричества. Расчеты ученыхпоказывают, что при таком перепаде каждый 1 м³ морской воды, будучипропущен за 1 с через преобразователь, позволяет получить около 10 кВт мощностипри КПД установки 5%.
Арктическиестанции работают по так называемому «треугольному» циклу: нагрев ииспарение рабочего тела, адиабатное расширение через турбину, изотермическоесжатие при подаче в испаритель с одновременным отводом избыточного тепла вхолодильнике. В охлаждающем контуре такой станции необходимо использоватьрассол с низкой температурой замерзания. В качестве промежуточноготеплоносителя применяется водный раствор хлористого кальция с концентрацией неменее 26 кг на 100 кг воды, который достаточно широко используется вхолодильной технике. Промежуточный теплоноситель охлаждается путемразбрызгивания через форсунки оросительного охладителя. Рабочим телом восновном контуре станции служит фреон-12, пары которого приводят в движениетурбину с электрогенератором.
Осмотическиестанции в устьях рек
В ноябре 2009 г.компания Statkraft, крупнейший производитель электроэнергии Норвегии, недалекоот Осло (г. Тофте) построила и запустила первую в мире электростанцию,основанную на осмотическом давлении. Построенная электростанция производит 2-4кВт электроэнергии – ее эффективность пока составляет 1 Вт с 1 кв. м мембраны,и основное ее назначение – отработка технологии и повышение эффективности до 5Вт/кв. м мембраны.
«СпециалистыStatkraft потратили много сил на разработку этой технологии. Наша ближайшаяцель — на прототипной станции протестировать новую мембрану и повысить ееэффективность. Прототип будет работать 2-3 года, на следующей стадии мызапустим пилотную станцию на 1-2 МВт – прежде, чем построим полноценный завод.Самые амбициозные наши цели — построить полномасштабную осмотическую станцию в2015 г.», – рассказал EnergyLand.info Аслак Оверас (Aslak Overas),представитель компании.
А своюразработку инженеры компании потратили около 10 лет, строительство опытнойэлектростанции заняло чуть более года. Идея использования мембраны длядистилляции воды путем осмоса и дальнейшей генерации энергии была предложена в1970-х гг. американским профессором Сидни Лоэбом. Изучением осмотическоймощности занялись доктор Тор Торсен и доктор Торлиф Холт из независимойисследовательской организации SINTEF, которые в 1996 г. передали компанииStatkraft свои наработки.
Пресная исоленая вода разделены полупроницаемой мембраной, пропускающей только преснуюводу и препятствующая прохождению соленой воды. Общая площадь мембраныосмотической станции в Тофте 2000 м². Явление осмоса вынуждает преснуюводу перетекать в часть с соленой водой. При этом в части камеры с морскойводой возникает избыточное давление (осмотическое давление), которогодостаточно для приведения в действие гидротурбины, вращающей электрогенератор,который вырабатывает электричество. На станции Statkraft достигнуто избыточноедавление в 12 бар, что эквивалентно 120 м водного столба.
Осмотическиеэлектростанции наиболее актуальны в устьях больших рек, а около них, какправило, располагаются крупные города. Специалисты Statkraft считают подобныестанции наиболее перспективными для северных стран, таких как Россия, Канада игосударства Скандинавии, при этом не стоит исключать самые южные части Африки иАмерики.
Однако не всеэксперты разделяют оптимизм норвежских инженеров: «Энергетическийпотенциал разности солености воды составляет 2 кДж/кг. Примерно того же порядкаи энергетический потенциал разности температуры воды (энергетический потенциалуглеводородного топлива около 40000 кДж/кг). Оба случая требуют огромныхрасходов энергоносителя (воды). В случае тепловой энергии вопрос с объемамиводы не стоит, поскольку имеется целый океан теплой воды с мощной холоднойподложкой. В случае солености возникнут проблемы с энергоносителем, посколькустанции можно строить только в устьях рек. Помимо этого, пресная вода — ценноесырье для жизнедеятельности и уже в дефиците. Практическое отсутствиеэнергоносителя для создания большого количества мощных энергетических станцийлишает идею использовать разность солености воды перспективы позволяющей решитьосновную проблему недалекого будущего по замене углеводородов», — полагаетСтанислав Понятовский.
/>
Первая в миреосмотическая электростанция (фото Statkraft)
Глобальныйпотенциал «осмотической энергии» компания оценивает примерно в1600-1700 ТВт•ч в год, что эквивалентно половине производимой в Европейскомсоюзе электроэнергии.
Экология
Электростанции,использующие ресурсы океана, на первый взгляд кажутся весьма экологичными. Ноза потреблением океанической энергии кроется несколько опасных моментов.
С одной стороны,работа станций сопровождается охлаждением поверхности океана, что на фонеглобального потепления имеет явно положительную тенденцию. «Еслирассматривать влияние перемещения больших объемов тепловой энергии с верхнегослоя на глубину порядка 600 м, то можно предположить, что охлаждениеповерхности океана в тропиках на 1-4 градуса скорей всего положительно скажетсяна климате и будет способствовать борьбе с ураганами, — считает СтаниславПонятовский. — При сопутствующем сбросе тепловой энергии в нижний слой онабесследно растворится в многокилометровом бассейне холодной воды без каких либопоследствий».
С другойстороны, встает вопрос: сколько можно взять энергии из океана без вреда дляокружающей среды? Ответили на него профессора Виктор Акуличев, директорТихоокеанского океанологического института (г. Владивосток), и его коллегаАльберт Ильин. В качестве критерия они приняли допустимое понижение температурыповерхности океана на 0,5К (такая цифра близка к естественным флуктуациямсредней температуры). Тогда максимально допустимая мощность, которую можноснять в тропической зоне мирового океана, составит 11 млрд. кВт. При непрерывнойработе тепловых преобразователей за год такой мощностью будет выработано0,96-105 млрд. кВт•ч, что составляет примерно треть от потребления энергии,прогнозируемого на 2020 г.
Негативныеэкологические последствия работы тепловых станций по схеме с подъемом водызаключаются в выделении в атмосферу растворенных газов. Глубинные холодные водысодержат внушительное количество углекислого газа, который выделяется приподъеме глубинных вод на поверхность из-за снижения давления и повышениятемпературы.
Загрязнениеокружающей среды может произойти и в случае утечки рабочих жидкостей, т.е.аммиака, фреона или ядовитых веществ, необходимых для промывки теплообменников- например, хлора.
Считая отповерхности, температура воды с увеличением глубины слабо меняется доопределенного уровня. На некоторой глубине температура резко уменьшается – этоначало так называемого слоя скачка. Одновременно со скачком температурынаблюдается и скачок плотности морской воды. Благодаря высокому градиентуплотности слой скачка выполняет своеобразную роль «жидкого грунта»,играя исключительную роль в физике и биологии океана. Без затраты мускульнойэнергии многочисленные обитатели океана могут долго оставаться в слое скачка вовзвешенном состоянии. Важно, чтобы мощные водяные потоки ОТЭС не разрушили слойскачка. Возможно, для этого придется далеко разносить места сброса отработанныхвод и забора теплой воды.
Однако времяуглеводородной энергетики проходит, и будущее за альтернативными источниками,возобновляемыми и более экологичными. Энергетические объекты в многочисленныхвариантах исполнения уже воплощаются в жизнь на огромной акватории океана.
Энергия с днаокеана.
В массовомсознании альтернативными энергоносителями являются исключительно возобновляемыеисточники энергии – Солнце, ветер, биомасса, морской прибой и тому подобные.Есть, однако, и ещё один весьма перспективный, хоть и не возобновляемыйэнергоноситель: метан с морского дна. Многие о его существовании и недогадываются, что, в общем-то, простительно: ведь ещё совсем недавно об этом незнали и учёные. Между тем, на морском дне хранятся огромные запасы метана!Правда, он находится там в связанном виде – в форме твёрдых гидратов.
Образованиегидратов метана, то есть его соединений с водой, происходит под воздействиемвысокого давления и низкой температуры – при условиях, вполне типичных дляокеанских глубин. Там, где океаническая плита, сдвигаясь, уходит подконтинентальную, возникают зоны мощнейшего сжатия. Они-то и выдавливают наружуметан, образующийся в толще органических отложений. Одна из таких тектоническихзон находится у западного побережья Северной Америки.
Экспедиция,отправившаяся туда на поиски гидрата метана, действительно его нашла, однакоглавной сенсацией стало то, что огромные его залежи были обнаружены непосредственнона поверхности морского дна. Профессор Юрген Минерт, научный сотрудникнемецкого Исследовательского центра «Geomar» со штаб-квартирой вКиле, говорит: «Мы имеем основания считать, что газовая смесь, заключённаяв этой породе, на 98...99 процентов состоит из метана. Когда проба грунта сморского дна поднимается на борт, газ тут же начинает улетучиваться.
Чёрные пятнасвидетельствуют о повышенном содержании углерода в осадочных отложениях. Иначеговоря, метан, обнаруженный на морском дне, является продуктом разложенияорганической материи, результатом отмирания живых организмов, то есть имеетбиогенное, а не термогенное происхождение».
Образцыгазогидрата, добытые у побережья США, с тех пор бережно сохраняются вспециальных резервуарах-холодильниках и изучаются – например, в Институтеполярных и морских исследований имени Альфреда Вегенера в Бремерхафене. Здесьрасположена одна из немногочисленных лабораторий, в которых созданы условия,обеспечивающие сохранность газогидрата в первозданном виде. То есть в помещенииподдерживается температура –27ºC, так что исследователи вынуждены работатьв специальных комбинезонах и тёплых перчатках.
Поднятые со днаморя куски газогидрата внешне напоминают вывалянные в грязи куски льда.Собственно, это и есть лёд с высоким содержанием метана. Образцы нарезают натончайшие пластинки, каждый срез фотографируют, и только после этого гидратподвергают химическому анализу. Йенс Грайнерт, сотрудник Исследовательскогоцентра «Geomar», поясняет: «По большей части, это метан. На 98%метан, но и остальное – это может быть сероводород, углекислый газ, – нас оченьинтересует, поскольку от примесей во многом зависит, при каких условиях гидратстабилен, а при каких – нет. Зная это, можно браться за исследование вопроса,когда и как гидраты метана образуются, когда и как распадаются».
Немалый интереск работам геофизиков проявляют и климатологи. В их глазах метан – не столькоценный энергоноситель, сколько один из главных виновников глобальногопотепления.
«Метан, какизвестно, третий по значимости парниковый газ. Принято считать, что важнымисточником метана являются океаны и – особенно – периферийные моря. Но зачастуюучёные не могут даже качественно оценить, выделяет ли море метан в атмосферуили же, напротив, связывает атмосферный метан, образуя гидраты. А уж околичественной оценке этих процессов сегодня и говорить не приходится.
Между тем, этоочень важный вопрос. И мы надеемся, что наши новые приборы помогут найти нанего ответ, – говорит Клаус Вайткамп, сотрудник Исследовательского центра „GKSS“в Геестхахте, специализирующегося на создании высокочувствительных газовыхсенсоров. Но каковы же запасы метана в газогидратах? Могут ли они оказатьсущественное влияние на климат – например, если в результате глобальногопотепления залегающие на дне под толщей воды гидраты начнут распадаться насоставные компоненты, и весь метан уйдёт в атмосферу?»
СотрудникИсследовательского центра «Geomar» Герхард Борман говорит: «Существуютоценки, согласно которым около 50% всего имеющегося на Земле углерода заключенов этих гидратах. Вы только представьте себе, мы столько говорили о содержанииуглекислого газа в атмосфере, о круговороте углерода в природе, и до сих пор неучитывали столь важное слагаемое этого процесса! Впрочем, все расчёты, которымимы пользуемся, носят весьма приблизительный характер.
Прогнозируя, гдеи в каком количестве могут быть обнаружены подводные газогидратные поля, мыисходим из сейсмических наблюдений и геофизических исследований. Но чтобыповысить достоверность прогнозов, необходимо произвести пробные бурения изамеры в тех районах океана, где предсказано наличие гидратов метана, ипроанализировать полученные результаты. Пока мы лишь в самом начале пути, нодумаю, что исследование газогидратов станет ключевой темой на ближайшие годы, авозможно, и десятилетия».
Поиски гидратовметана ведутся в самых различных районах мирового океана и с привлечением самойсовременной специальной техники. Примечательно, что при этом геофизики нежалеют сил на изучение придонной флоры и фауны. Дело в том, что обитателиморского дна могут служить своего рода индикаторами, указывающими на наличие внедрах месторождения газогидрата.
СотрудникИсследовательского центра «Geomar» биолог Петер Линке рассказывает: «Междуизвестковыми глыбами, возникшими на дне в результате геохимических итектонических 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 недрвыделяется метан. Конечно, моллюски не могут питаться метаном как таковым – ондля них так же ядовит, как и для человека. Здесь мы имеет дело с типичнымпримером симбиоза: метаносодержащая жидкость усваивается особыми бактериями,живущими в мантии моллюсков. А сами моллюски питаются отходамижизнедеятельности этих бактерий, что и позволяет им существовать на такойглубине, куда солнечный свет практически не проникает.
Естественно,моллюски стремятся поселиться как можно ближе к источнику продовольствия, тоесть к тем трещинам и щелям в известковых отложениях, из которых и происходитистечение метаносодержащих жидкостей. В свою очередь, эти моллюски служат пищейдля некоторых других видов морской фауны. То есть те места, в которых, по нашимоценкам, существуют условия для образования газогидратов, являются своего родаоазисами в пустыне морских глубин».
Моллюски,извлечённые со дна моря во время экспедиции к побережью США, подверглись,разумеется, самому пристальному исследованию. Их препарировали, затем из тканейраковины и мантии учёные выделили углерод, связав его в углекислый газ, ипроанализировали с помощью масспектрометра. Высокое содержание изотопа углеродаС12 позволило сделать вывод о том, что моллюски действительно питались за счётжидкостей, омывающих газогидратные месторождения.
А вот найти этихсамых моллюсков оказалось непросто: многочисленные пробы грунта со дна моря втех местах, где – исходя из геофизических соображений – предполагалисьместорождения газогидратов, долгое время не давали положительного результата.Почему?
«Либонедостаточно настойчиво искали, либо источники метана, которые некогда давалипищу и служили основой существования этих моллюсков, сегодня обеднели или вовсеиссякли. Для моллюсков это катастрофа, они вымирают. Для нас же этосвидетельство того, что источники бедны или пусты. Если мы обнаруживаем большуюколонию живых моллюсков, это даёт нам основания полагать, что здесь имеютсязначительные источники метана.
Если же никакихмоллюсков нет или мы находим только пустые раковины, значит, интенсивноговыделения метаносодержащих жидкостей здесь, скорее всего, не наблюдается, –продолжает Петер Линке, участник экспедиции, которая обнаружила богатыеместорождения гидрата метана и сопутствующие им колонии моллюсков и у побережьяСША, и в Аравийском море у берегов Пакистана».
Однаконаибольший интерес учёных вызывают холодные моря Крайнего Севера и КрайнегоЮга. В частности, Охотское море. Профессор Эрвин Зюсс, долгие годы руководившийИсследовательским центром «Geomar», особо подчёркиваетклиматологический аспект: «Источником метана в Охотском море, как и вомногих других периферийных морях, являются гидраты.
Охотское мореболее 9-ти месяцев в году покрыто льдом, и поднимающийся со дна метанудерживается этим ледяным покровом. Весной, когда лёд начинает таять, ватмосферу в считанные недели уходят огромные массы метана. Учитывая важностьметана как парникового газа, следует очень внимательно изучить влияние этихсезонных выбросов на глобальный климат. Это поможет разобраться в тенденциях имеханизмах климатических изменений, происходящих на Земле».
Чтобы понять,изменения какого масштаба имеет в виду Эрвин Зюсс, следует принять во вниманиетакую цифру: из одного кубометра гидрата, извлечённого со дна морского,выделяется 164 кубометра газообразного метана! То есть речь идёт, с однойстороны, о скрытом в гидратах метана колоссальном энергетическом потенциале, ас другой стороны, об огромной опасности, которую эти гидраты могут представлятьдля климата планеты.
А то, чтоместорождения газогидратов на морском дне действительно огромны, у специалистовне вызывает сомнений. Ганс Фаленкамп, профессор кафедры природоохранныхтехнологий Дортмундского университета, говорит: «Запасы газогидратовгеологи оценивают, соотнося их с суммарным объёмом разведанных на сегодняшнийдень месторождений нефти, природного газа и угля. Их вывод таков: залежи метанана дне морей и океанов обладают вдвое большими энергоресурсами, чем все прочиеископаемые энергоносители вместе взятые».
А это ни многони мало – 10 тысяч миллиардов тонн. Однако технологии, пригодной дляширокомасштабной добычи этого бесценного клада со дна моря, до недавнеговремени не существовало. Коллега профессора Ганса Фаленкампа по кафедреприродоохранных технологий Дортмундского университета – Хайко Юрген Шультц –говорит: «Предложенные до сих пор способы добычи были недостаточноэффективными. Произведённые расчёты показали, что метан, поднятый этимиспособами со дна моря, не может конкурировать с природным газом, добываемымтрадиционными методами».
Помимо низкойэкономичности, есть и вторая проблема – безопасность. Залежи газогидратоврасполагаются на крутых склонах, на глубинах от 300 до 1000 метров и являютсяфактором, стабилизирующим морское дно в этих геологически-активных регионах. Широкомасштабнаяразработка месторождений может вызвать подводные оползни и, как следствие,разрушительные приливные волны – цунами.
Кроме того,нельзя не считаться с возможностью аварийных выбросов огромных масс метана ватмосферу, что чревато грандиозной экологической катастрофой, не говоря уже обугрозе здоровью и жизни персонала, обслуживающего добывающее оборудование. НоХайко Юрген Шультц предложил недавно новый и, как он считает, весьмаперспективный метод добычи газогидратов. По крайней мере, расчёты накомпьютерной модели выглядят многообещающе: «Мы представили технологию,которая позволит обеспечить высокую эффективность и значительные объёмы добычи».
Чтобы получитьгазообразный метан из твёрдых газогидратов, их нужно расплавить, то естьнагреть. Проект Хайко Юргена Шультца предполагает прокладку специальноготрубопровода с платформы на поверхности моря до залежей газогидратов на морскомдне. Особенность трубопровода в том, что он состоит из труб с двойной стенкой.Это как бы два трубопровода, из которых один пропущен сквозь другой. ХайкоЮрген Шультц поясняет: «По принципу действия это напоминает кофеварку. Повнутренней трубе мы подаём морскую воду, нагретую до 30...40 градусов,непосредственно к месторождению газогидратов.
Те плавятся, приэтом из них выделяются пузырьки газообразного метана, которые вместе с водойподнимаются по внешней трубе наверх, к платформе. Там метан отделяется от водыи подаётся в цистерны или в магистральный трубопровод, а тёплая вода сновазакачивается вниз, к залежам газогидратов».
Расчётыпоказывают, что при использовании такой технологии количество выработаннойэнергии в 40 раз превысит то количество, которое придётся затратить на добычу.То есть экономичность налицо. А как обстоит дело с экологичностью? Вопросважный хотя бы уже потому, что метан – один из самых вредоносных для климатагазов, – напоминает профессор Фаленкамп: «Все парниковые газы сравнивают,как правило, с углекислым газом. Если степень воздействия углекислого газа наклимат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 23единицы».
Но если веритькомпьютерным расчётам, никаких аварийных выбросов метана ожидать не приходится.Более того, Хайко Юрген Шультц уверен, что его технология сводит на нет также иугрозу подводных оползней. В настоящее время он ищет инвесторов, чтобыреализовать свою идею на практике. Стоимость проекта оценивается в 100миллионов евро.
Альтернативныеисточники энергии: энергия океана
Океан хранит в себеогромный запас энергии. Бесконечное движение приливов и волн, а также нагревверхних слоев воды — все это может быть использовано для полученияэлектричества. 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 парниковыхгазов. Задача: взять весь потенциал энергии и превратить его во что-тополезное.
Приливы, волны итепло океана требуют особых технологий по преобразованию скрытой в них энергиив электричество. Доказанными поставщиками электричества являются лишь приливныеэлектростанции. Приливные станции во Франции и Новой Шотландии работают ужемного лет, в других регионах также планируется строительство таких сооружений.Методы использования энергии волн океана также совершенствуются. Существуютпрототипы волновых электростанций, работающие в Шотландии и Норвегии. Другиетехнологии все еще находятся на стадии эксперимента.
Самым большимограничением 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, чтоэлектричество, получаемое из ископаемого топлива, дешевле в большинстве мест.Необходимость в получении экологически чистой энергии может изменить этопредставление и сделать энергию океана более экономичной.
Энергия прилива
Идеяиспользования потока прилива датируется средними веками, родилась она в Европе.Прилив вращал водяные колеса, которые вращали жернова мельниц на побережьеБретани. Колонисты Новой Англии также использовали приливную энергию. ВдольЛонг-Айленд-Саунда в Коннектикуте приливные бухты стали бассейнами мельниц,поток воды контролировали шлюзы. Позднее другие источники энергии превзошли силуприлива. Приливная энергия — единственный источник энергии океана, который мыиспользуем сейчас.
Чтобы понять,как работает энергия прилива, нужно немного знать о его механизмах. Обычно, ноне всегда, дважды в день море достигает высокой точки берега (происходитприлив) и нижней точки (отлив). Приливы и отливы происходят регулярно в одно ито же время. Обуславливает приливы сила гравитации. Приливное течение вызываютгравитационные силы: Луна, Солнце, а также вращение Земли. Погода также немноговлияет на приливы: мощный шторм может вызывать волны выше обычных.
Простаяприливная электростанция использует преимущества ландшафта залива или устьяреки. Происходит это там, где движется прилив, в области, окруженной землей содной или двух-трех сторон. В устье реки или заливе ставится приливноезаграждение. Заграждение делит область прилива на верхний и нижний бассейны. Взаграждении установлены турбины. Когда разница в уровне воды по сторонамзаграждения достаточна, шлюзы открывают, чтобы протекающая вода вращалатурбины. Турбины вращаются по мере прохождения воды из одного резервуара вдругой, скорость зависит от объема прилива. Движение турбины вращает генератор,вырабатывающий электричество.
Самая стараяприливная электростанция Ля Ранс находится в Бретани (Франция). Эта станцияработала с 1966 года, она генерирует 240 мегаватт электричества. Королевскаястанция Аннаполис в Новой Шотландии (Канада), запущенная в 1984 году,вырабатывает 20 мегаватт электричества. Приливные электростанции строятся вБаренцевом море (Россия), в восьми местах Китая, Индии и Уэльса.
Энергия приливакажется простой, но что если бы во многих заливах и устьях были быэлектростанции? Строительство электростанции стоит дорого, поэтому она должнагенерировать достаточно электричества, чтобы окупить эти инвестиции. Инвестицииокупаются, когда разница между приливом и отливом составляет как минимум 5метров. Приливы с меньшей разницей не генерируют достаточно электричества,чтобы окупить строительство электростанции. Приливы такой силы наблюдаютсявсего в 40 местах мира.
Приливной заборработает по принципу заграждения. Однако вместо однородной дамбы забор состоитиз серии турбин, установленных в открытый забор, больше похожий на шлюз в воде.Турбины рабоатют на вертикальной оси. Одно из преимуществ забора в том, что онне полностью блокирует залив. Приливной забор может быть установлен в местетечения.
Приливноетечение может генерировать столько же энергии, сколько и ветер на большойскорости. Происходит это, потому что плотность воды больше плотности воздуха,поэтому она несет больше энергии. Приливной забор нуждается в скорости течения5-8 узлов (6-9 м/час), чтобы выработать достаточно электричества дляэкономической выгодности проекта. Приливной забор менее выгоден в установке, всравнении с заграждением. Проект с приливным забором работает вСан-Бернардино-Стрейт на Филиппинах.
Приливныетурбины очень похожи на ветряные и могут быть установлены везде, где естьприливы достаточной силы. Лопасти похожи на гигантский пропеллер. Лезвия турбиныне насколько велики, как ветряные: часто 15 метров в диаметре (лопасти турбиндостигают 60 метров). Турбины прикреплены ко дну на глубине 20-30 метров, гдеесть течение в 3,6-4,9 морских узлов (4 — 5,5 м/час). На этой скоростиприливная турбина вырабатывает гораздо больше электроэнергии, нежели ветряная.Во многих местах есть станции тестирования приливных турбин, одно из таких местИст Ривер в Нью-Йорке.
Проблемыприливной энергии
Энергия приливане производит выбросов. Однако влияние дамб и турбин на жизнь морскихобитателей неизвестно. Мы знаем, что дамбы и заграждения влияют на миграцию, атакже движение осадочных пород в устье или заливе. Поэтому дамба должна влиятьна локальную экосистему. Приливные заборы решают часть этих проблем. Открытаяструктура позволяет двигаться илу, песку и мелким морским обитателям. Однакокрупные рыбы и морские млекопитающие не смогут проходить сквозь турбины безповреждений, которые могут повлиять на миграцию. Отдельностоящие турбины меньшевсего влияют на экосистему. Приливные заборы еще предстоит усовершенствовать,хотя и их влияние остается малоизученным.
Сейчас большойпроблемой на пути широкого использования энергии прилива является цена.Приливные электростанции недороги в эксплуатации, особенно учитывая то, что морскаявода как топливо — бесплатная. Однако установка этих станций стоит дорого,стоимость создания самих турбин ниже, чем цена возведения заграждений.Стоимость строительства делает энергию, генерируемую электростанциями сейчасболее дорогой, чем энергию ископаемого топлива.
Энергия волн
Очень простоувидеть энергию волн, бьющихся о берег. Они могут разбиваться в белую соленуюпену, ровно лежающую на берегу — волны наделены жестокой силой. Однако энергияволн не просто сокрушительна. Вдалеке от берега движение океана прячет ещеболее мощную энергию. Постоянное соударение волн никогда не прекращается.Исследователи энергии волн рассматривают как использование энергииразбивающихся волн на наземных станциях, так и постоянное движение волн наморских устройствах.
Сейчасиспытывается множество различных видов прибрежных электростанций. Один изспособов 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 всооружение, вызывают подъем и уменьшение уровня воды. Движение воды то сжимает,то разжимает воздух в конструкции. Сжитый воздух образуется, когда вода входитв колонну, и передается турбине, прикрепленной к генератору. Волны заставляютвоздух выходить через турбины и возвращаться обратно, когда давление падает. Вколонне воды используется турбина Уэллса, уникальные лопасти которой позволяютей вращаться вне зависимости от того, в каком направлении движется воздух.Прототип такой электростанции по построен на побережье Шотландии. Онагенерирует около 500 киловатт электричества.
В системеклиновидных каналов или ТАПЧАН (англ. аббревиатура) для получения энергии волниспользуется морская вода. На возвышении у берега строится резервуар,находящийся чуть выше уровня моря. В резервуар ведет конический канал: он ширесо стороны океана и уже у резервуара. Волны попадают в широкую часть канала иувеличиваются в высоте по мере сужения. В некоторой точке вода через каналпопадает в резервуар. По трубе вода возвращается в океан. В трубе вода проходитчерез турбину генератора. Прототип такой электростанции работает в Норвегии с1985 года, другие проекты все еще находятся на этапе конструирования.
Маятниковоеводяное устроство работает по принципу своего названия. На берегуустанавливается большая прямоугольная коробка. Один конец ящика открыт дляводы. На открытом конце есть заслонка, которая в такт волнам раскачиваетсявперед-назад, как маятник. Движение вперед-назад приводит в действиегидравлический насос, прикрепленный к генератору. Маятниковые устройстванаходятся сейчас на стадии тестирования.
Офшорные системыобычно устанавливаются на глубине 40 метров и более. На станции Сальтер дакиспользуется сила волн для движения маятника вперед-назад. Маятник подключен кгенератору. Серия Даков может быть установлена в ряд, чтобы получить как можнобольше энергии.
Шланговый насосс помощью шланга, прикрепленного к поплавку, получает энергию волн. Шланграстягивается и сжимается в такт движения волн, накачивая воду внутрь себя.Вода проходит через односторонний клапан внизу шланга и попадает в турбинугенератора. 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 гидравлическиемоторы. Движение воды активирует моторы и вырабатывается электричество.Электричество передается на берег. Прототип пелями тестируется в Шотландии.
Проблемыприливной энергии
Сложно выбратьместо для строительства волновой электростанции Как и в случае с ветром, силаволн меняется: во время шторма они увеличиваются, а в спокойную погоду — уменьшаются. Для нормальной работы волновой электростанции необходимыотносительно стабильные волны. Есть множество регионов, у берегов которыхнаблюдается волнение, — западные берега Шотландии, север Канады, юг Африки иАвстралии; часть Гавайский островов и северо-восточные и северо-западные берегаСША.
Важен и видместности. Вряд ли местным жителям понравится огромная волновая электростанциявместо живописного вида. Влияние на окружающую среду так же поднимает своивопросы. Строители электростанции не хотят существунно поднимать существующиеседиментарные слои, потому что последствия могут быть очень масштабными. Крометого, оборудование должно выдерживать суровые погодные условия.
Самой большойпроблемой для волновой энергии является ее стоимость. Волновые электростанциидорого строить. Несмотря на то, что их топливо бесплатное, а потенциалпроизводства энергии — огромен, в нынешних условиях энергия волновыхэлектростанций дороже, чем у станций на ископаемом топливе.
Использованиетермальной энергии океана
Температура водыв океане уменьшается вместе с глубиной. Разница температур используется дляполучения энергии. Лучшие точки для таких проектов: тропические исубтропические регионы — там, где глубокие воды находятся относительно близко ксуше. В таких водах разница температур между верхним и нижним слоем может достигать20 градусов Цельсия.
Французскийфизик Жак Арсен д'Арсонваль в 1881 году понял эту идею. Первая термальнаяэлектростанция была построена одним из его учеников Джорджем Клодом в 1930 годуна Кубе. В 1935 году Клод построил другую станцию близ берегов Бразилии, однакопогода и волны уничтожили обе станции еще до того, как они вышли на полезныйуровень электроэнергии. С тех пор проводились и другие попытки, но термальныеэлектростанции пока остаются экспериментальной технологией.
Термальныеэлектростанции строятся в тропических прибрежных водах. По трубам на станциюпоступает теплая поверхностная вода. Эта вода используется для получения пара,вращающего турбины. Турбина подключена к генератору, вырабатывающемуэлектричество. Холодная вода глубоководных слоев поднимается с глубины 1,6 кмпо толстой трубе. Холодная вода конденсирует пар и охлажденная морская водавозвращается в океан. Сейчас протестировано три различных вида систем. Всистеме открытого типа используется морская вода, бойлер под давлением помогаетполучать пар. В закрытой системе теплая вода контактирует с трубами,содержащими теплообменную жидкость с низкой точкой кипения. Жидкость вращаетгенератор. В гибридных системах используется распыление открытого цикла дляподогрева теплообменной жидкости и превращения ее в пар, вращающий турбины.
Термальныеэлектростанции имеют те же проблемы, что и все океанические источники энергии.Стоимость строительства высока, что делает энергию океана более дорогой всравнении с ископаемым топливом. Влияние термальных электростанций наокружающую среду остается неизученным.