Океан займає більше 70% поверхні Землі. Будучи найбільшим акумулятором сонячної енергії, океани накопичують теплову енергію «золотого диска» і виробляють механічну енергію завдяки хвилям і припливи. Хоча Сонце найбезпосереднішим чином впливає на процеси, що відбуваються в океані, припливи викликані гравітаційним полем Місяця, а хвилі утворюються під дією вітру.
Перетворення теплової енергії океану
Під перетворенням теплової енергії океану, або технологією ОТЕС (від англ. Oceanthermalenergyconversion), розуміється використання теплоти океанських вод для виробництва електроенергії.
Дана технологія найбільш ефективна, коли температурний градієнт - тобто різниця в температурах верхнього, теплого шару і глибоководного, холодного шару - становить близько 20 ° С. Такі умови спостерігаються в тропічних прибережних зонах - між тропіком Козерога і тропіком Рака. Для підняття обсягів холодної води на поверхню в перетворювачах теплової енергії використовуються дорогі впускні труби великого діаметра, які занурюються на глибину близько півтора кілометрів.
Деякі фахівці вважають, що якби технологія перетворення теплової енергії океану була менш витратною, вона могла б змагатися з традиційними методами та провести мільярди ват електроенергії.
Технологія перетворення енергії температурного градієнта морської води відома вже досить давно. Вперше термальну енергію океану запропонував використовувати французький вчений-фізик Жак Арсен д'Арсонваля в 1881 році. Однак першу установку для отримання електроенергії з океану сконструював його учень Жорж Клод. Він побудував на Кубі систему потужністю 22 кВт, оснащену турбіною низького тиску.
У 1935 році Клод встановив ще один перетворювач на борту 10-тонного вантажного судна, пришвартованого біля берегів Бразилії. Однак погодні умови і хвилі знищили обидві установки, перш ніж вони досягли корисної потужності (тобто перш, ніж обсяги виробленої енергії перевищили розміри енергії, що витрачається на обслуговування системи).
У 1956 році французькі вчені спроектували установку потужністю 3 МВт в місті Абіджан, столиці Кот-д'Івуару (Західна Африка). Однак вона так і не була побудована, оскільки вимагала дуже великих фінансових витрат.
Незабаром до досліджень приєдналися Сполучені Штати Америки; в 1979 році була заснована Гавайська лабораторія природної енергії, яка згодом стала одним з найбільших наукових центрів, що займаються вивченням можливостей отримання електроенергії з глибин океану.
Технології перетворення температурного градієнта морської води
Існують три основних технології перетворення теплової енергії океану: замкнутого циклу, відкритого циклу і комбінована.
Системи замкнутого циклу
У системах замкнутого циклу для приведення в рухи турбін використовуються рідини з низькими температурами кипіння - наприклад, аміак. Теплі поверхневі води прокачиваются насосом через теплообмінник і перетворюють робочу речовину в пар підвищеного тиску. Зростаючи, пара обертає лопаті турбін, які з'єднані з генераторами. Далі холодна вода з глибин океану, прокачується через другий теплообмінник, призводить до конденсації пари, який знову подається на нагрів в випарник.
У системах відкритого циклу для виробництва електроенергії також використовується тепла поверхнева вода океану, що подається у випарник через деаератор, який звільняє її від розчинених в ній газів. Потрапляючи в ємність з низьким тиском, вода починає кипіти. Розширюється пар приводить в рух турбіну низького тиску, з'єднану з електрогенератором. Пар, який не містить солей, конденсується назад в практично абсолютно чисту прісну воду під впливом низьких температур глибинних океанічних вод.
У 1984 році фахівці Інституту дослідження сонячної енергії (нинішньої Національної лабораторії вивчення поновлюваних джерел енергії) розробили випарник з вертикально розташованим трубопроводом для перетворення теплої води в пар низького тиску. Ефективність перетворення енергії досягала в окремих випадках 97%. У травні 1973 року в самій західній точці острова Гаваї - Кіхоул-Пойнт - була сконструйована установка відкритого циклу, яка виробила близько 50 000 ват електроенергії за період своєї експлуатації.
Комбіновані перетворювачі теплової енергії океану мають властивості систем і відкритого, і замкнутого циклів. У комбінованих установках тепла морська вода надходить у вакуумну камеру, де перетворюється в пар, що схоже з системою випаровування відкритого циклу. Пар нагріває рідину з низькою температурою кипіння, яка в газоподібному стані призводить в рух лопаті турбіни (як в системі замкнутого циклу).
Альтернативні можливості використання
Технологія перетворення температурного градієнта морської води може використовуватися не тільки для виробництва енергії. Так, відпрацьована вода з конденсатора може охолоджувати воду в теплообміннику або відразу надходити в систему охолодження. Такий простий механізм уже кілька років забезпечує кондиціонування повітря в будівлях Гавайської лабораторії природної енергії.
Крім того, технологія ОТЕС використовується і в сільському господарстві для охолодження грунтів. Коли холодна вода рухається по підземному трубопроводу, вона знижує температуру навколишнього грунту. Різниця температур коренів і листя дозволяє багатьом рослинам, спочатку адаптованим до помірного клімату, прижитися і в субтропічному регіоні. При Гавайської лабораторії розташована невелика експериментальна теплиця, в якій вирощується більше 100 різновидів овочів і фруктів, нехарактерних для клімату Гаваїв.
Аквакультура - технологія розведення та вирощування водних організмів - також є популярною сферою застосування технології ОТЕС. Холодноводні риби і ракоподібні - наприклад, лосось і омари - прекрасно почувають себе в багатій поживними речовинами воді з глибин океану. Мікроводорості (наприклад, спіруліна - популярна харчова добавка) також можуть вирощуватися в глибинної морській воді.
Нарешті, ще однією перевагою перетворювачів термального градієнта води є їх здатність опріснення солоної води. Теоретично установка потужністю 2 МВт може виробляти близько 4300 кубометрів прісної води щодня.
Екологічні та економічні чинники
У загальному і цілому, правильний вибір місця для розміщення установки ОТЕС є гарантом мінімального впливу на навколишнє середовище. Вчені вважають, що рівномірний розподіл перетворювачів в тропічній зоні океану може усунути практично всі можливі негативні наслідки зміни температури води і морського життя.
Подальший розвиток технології перетворення теплової енергії океану вимагає значних капіталовкладень. Дослідники побоюються, що представники приватного сектора почнуть інвестувати в цю область лише тоді, коли вартість викопних видів палива підскочить або коли держава створить необхідні стимули. Ще однією перешкодою промислового впровадження технології є те, що в тропічній зоні всього лише кілька сотень місць, де можливе спорудження рентабельних станцій ОТЕС.
Енергія припливів використовується людством з найдавніших часів. У прибережних зонах море двічі в день досягає найвищої точки берега (приплив) і нижньої точки (відлив). Щоб перетворити енергію водних потоків в електроенергію, необхідно щоб амплітуда припливів-коливань становила щонайменше 5 метрів. Однак на Землі знайдеться максимум 40 місць, де різниця між припливом і відливом досягає цієї позначки. Особливо сприятливими для будівництва приливних електростанцій вважаються Тихоокеанський північний захід і Атлантичний північний схід.
Методи використання приливної енергії
До основних засобів перетворення енергії припливів відносять греблі і дамби, приливні паркани, а також приливні турбіни.
Греблі або дамби використовуються для виробництва електроенергії шляхом направлення приливних течій через турбіни, які приводять в дію електрогенератори. Загородження ділить область припливу на верхній і нижній басейни. В його корпусі встановлюються шлюзи і турбіни. Коли різниця в рівні води по обидва боки греблі досягає необхідної позначки, шлюзи відкриваються. Вода потрапляє на лопаті турбіни, які починають обертатися і пускають у хід генератори, що виробляють електрику.
Приливні паркани нагадують ряд величезних турнікетів. Вони можуть сягати на відстані між двома невеликими островами або в протоках, що відокремлюють острів від материка. «Турнікети» обертаються завдяки приливні потокам, характерним для прибережних зон. Швидкість течії може досягати 5-8 вузлів (6-9 миль на годину) - в такому випадку турбогенератори виробляють набагато більше енергії, ніж вітру з більшою швидкістю, оскільки щільність рідини більше, ніж повітря.
Приливні турбіни багато в чому схожі з вітряними. Їх встановлюють в ряд під водою, на глибині 20-30 метрів. Найбільш ефективно турбіни функціонують, коли швидкість течії досягає 3,6-4,9 морських вузлів (4-5,5 миль в годину). При такій швидкості приливні турбіни діаметром близько 15 метрів виробляють стільки енергії, скільки виробляє вітряна турбіна 60 метрів в діаметрі.
Приливні електростанції, що перегороджують гирла річок, можуть порушити міграційні шляхи морських риб, а мул, що накопичується в зоні розташування гребель, може негативно позначитися на місцевій екосистемі. Приливні паркани також становлять небезпеку для вільного переміщення морських мешканців. Серед всіх гідроагрегатів, які використовуються в конструкції приливних станцій, найбільш безпечними вважаються сучасні турбіни, які не блокують шляхів міграції морської фауни.
Вартість експлуатації приливних електростанцій невелика, проте їх будівництво потребує значних витрат, що призводить до збільшення терміну окупності. В результаті вартість електроенергії, виробленої за допомогою ПЕС істотно вище, ніж електрики, одержуваного за допомогою викопних видів палива.
В основі роботи хвильових енергетичних станцій лежить перетворення енергії, що виробляється завдяки ударній силі поверхневих хвиль або коливання тиску в глибині океану. Фахівці в галузі поновлюваних джерел енергії вважають, що океанічні хвилі можуть призвести до 2 терават електрики.
Однак далеко не скрізь можна ефективно використовувати енергію хвиль. Найбільш підходящим для будівництва хвильових енергетичних установок вважається західне узбережжя Шотландії, південь Африки, Австралія, а також північно-східне і північно-західне узбережжя США. За оцінками фахівців, на Тихоокеанському північному заході можна отримати 40-70 кВт на 1 метр берегової лінії.
Технологія перетворення енергії хвиль
Хвильова енергія може бути перетворена в електричну за допомогою офшорних (розташованих у відкритому морі) і прибережних систем.
Офшорні системи розміщуються у відкритому морі на глибині понад 40 метрів. Високотехнологічні пристрої - як, наприклад, «качка Солтера» - використовують ударну силу хвиль для виробництва електроенергії. У хвильових перетворювачах енергії використовуються гнучкі трубопроводи, з'єднані з поплавками на поверхні моря. Підводячись і опускаючись, поплавці поперемінно натягують і стискають труби, створюючи, таким чином, різницю тиску, яка змушує обертатися турбіни.
Встановлюються уздовж берегової лінії, прибережні енергосистеми перетворюють енергію прибою. Кнаіболеераспространённимволновимустановкамотносят:
Установка під назвою «коливається водяний стовп» (або «колона») являє собою гігантську камеру зі сталі або бетону, нижня відкрита частина якої занурена під воду. Внутрішня частина колони містить повітря над стовпом води. Хвилі, потрапляючи в спорудження, викликають підйом і зменшення рівня води і, відповідно, послідовне стиснення і розширення повітря. Повітря виходить через турбіни, прикріплені до генератора, і повертається назад, коли тиск падає.
Для установки систем клиновидних каналів потрібен резервуар, розташований біля берега на узвишші - трохи вище рівня моря. У нього веде конічний канал: його широка частина знаходиться в океані, вузька - у резервуара. У міру звуження каналу хвилі, що потрапляють в нього, збільшуються в висоті і потрапляють в сховище. Водапроходітчерезтурбінугенератора, проізводящегоелектрічество.
Маятниковий хвильовий пристрій
Маятниковий хвильовий пристрій являє собою великий прямокутний короб, один кінець якого відкритий для води. З відкритою боку є заслінка, яка розгойдується вперед-назад під дією хвиль. Рух цієї заслінки приводить в дію гідравлічний насос, з'єднаний з електрогенератором. Митників пристрої знаходяться зараз на стадії тестування.
Як і у випадку з перетворювачами теплової енергії океану, запорукою мінімального впливу на навколишнє середовище є правильний вибір місця розміщення хвильової електростанції. Хвильові енергоустановки не повинні псувати мальовничі пейзажі берегової лінії або змінювати режими пересування придонних океанічних мас.
З економічної точки зору хвильовим електростанціям важко змагатися з традиційними джерелами енергії. Однак вартість перетворення хвильової енергії поступово падає. Деякі європейські вчені пророкують, що в майбутньому виробництво хвильових енергоустановок стане прибутковим видом діяльності. Функціонуючі системи конверсії енергії хвиль не вимагають великих витрат на експлуатацію та обслуговування, оскільки паливо (морська вода), на якому вони працюють, абсолютно безкоштовно.