Энергия моря. Энергия волн и ветра

 

После эмбарго на нефть в 1973 г. США начали серьезные поиски альтернативных способов получения энергии для промышленности и нужд торговли. Стало неизбежно обращение к океанам. В табл. 19.10 просто перечислены типы источников энергии, имеющихся в океанах, количество энергии для каждого из типов и грубые оценки того, к какому году технические проблемы извлечения энергии могут быть решены и когда может начаться производство этой энергии.

Проанализируем вкратце достоинства и недостатки некоторых способов получения энергии, а более детально рассмотрим один из них — использование температурных градиентов.

Энергия волн и ветра.Разрабатывать технологию для извлечения волновой энергии имеет смысл главным образом по двум причинам. Во- первых, ветровые волны представляют собой кумулятивный результат действия ветров, дующих над огромными просторами океанов, т. е. они накапливают рассеянную ветровую энергию, так что имеет смысл «почерпнуть» из этого «резервуара». Во-вторых, волны переносят накопленную энергию непосредственно к берегам густонаселенных приморских территорий, где эта энергия так необходима. С другой стороны, использование энергии волн и ветра имеет очевидные недостатки. Во-первых, прибрежные флора и фауна зависят от волновой и ветровой энергии, питающей процесс перемешивания воды (гл. 18), так что если мы будем отбирать эту энергию вблизи побережья, то это окажет прямое воздействие на данное сообщество. Во-вторых, чтобы добиться значительных экономических результатов, придется разместить как волновые, так и ветровые генераторы на больших площадях и тем самым создать эстетически неприемлемые изменения морского пейзажа.

Течения и приливы.Популярные технические журналы часто публикуют образные представления художников об огромных затопленных турбинах, поставленных на якорь посреди Гольфстрима и усердно вращающих генераторы, извлекая тем самым электрическую энергию из самого этого течения. Те из нас, кто работал в море или оплачивал счета других занимающихся этим людей, знают, что все это лишь головокружительные мечты. Тем не менее я бывал на некоторых отдаленных островах, где можно использовать мощные приливные течения, поставив такие затопленные турбогенераторы. Один такой пример — проход между Анхель-де-ла-Гуарда и восточным берегом Нижней Калифорнии, используемый приливными течениями. Называемый по-испански «Sale Si Puedes» («Уходи, если можешь!»), этот проход отличается приливными течениями со скоростью более 2 м/с. Местное население вполне могло бы избежать больших расходов на ввоз нефти, направив эти средства на установку в море подходящего турбогенератора.

Что касается того, чтобы «запрячь» все приливное перемещение воды в закрытых заливах, то французы в 1966 г. построили первую крупную и эффективно действующую установку в устье своей реки Ране (на севере Бретани), где величина приливов перед плотиной превышает 8 м. Плотина запирает залив площадью 22 км2; 24 установленные в ней турбины генерируют более полумиллиарда киловатт-часов электроэнергии в год, используя около 18% всей энергии местных приливов. Если сравнивать затраты, то стоимость энергии на данной приливной электростанции примерно вдвое больше, чем на обычной речной гидроэлектростанции с турбинами в теле плотины. Подходящих мест для станций такого типа мало (некоторые из них показаны на рис. 18.3). Наиболее тщательно изучена площадка в Северной Америке — в заливе Пассамакуодди на границе США и канадской провинции Новая Шотландия. В этом заливе средняя высота прилива перед проектируемой плотиной составляет около 5,5 м, максимально возможная средняя мощность — 1800 МВт; начиная с 1930-х годов исследования в заливе проводились несколько раз. Они все еще не завершены.

Общая перспектива развития приливных электростанций такова: если соорудить их по всему миру, то и тогда они смогут дать только 1% всей энергии гидроэлектростанций (Hubbert, 1969). В свою очередь все ГЭС мира обеспечивают только 6—7% потребления энергии. Таким образом, энергия приливов составляет лишь незначительную часть мировой системы энергетики.

Искусственный апвеллинг, биологические превращения и осмотическое давление.Покойный Джон Айзекс из Института океанографии Скриппса однажды предложил устанавливать реакторы АЭС на океанском дне, с тем чтобы тепло от них нагревало окружающую морскую воду и вызывало ее конвекцию и подъем на поверхность. При таком искусственном апвеллинге богатая питательными веществами придонная вода стимулировала бы развитие растений. Если этими растениями окажутся, например, крупные водоросли, их можно будет перерабатывать в целый ряд пищевых продуктов и химикатов, а остатки сжигать для получения дополнительной энергии.

Айзекс предполагал также, что разность соленостей морской и пресной воды представляет собой большой потенциальный источник энергии. Решение проблемы регулирования осмотического давления, упомянутой по отношению к морским организмам в гл. 7, также может стать источником энергии, если создать большой гидравлический напор (рис. 19.24).

Важнейший элемент в этом процессе — мембрана, которая могла бы «перекачивать» пресную воду в морскую, не разрушаясь под большим давлением и не забиваясь обломочным материалом. Табл. 19.10 показывает, что потенциальные запасы такой энергии огромны, и они возобновляются непосредственно в ходе гидрологического цикла испарения воды из морей, образования атмосферных осадков и речного стока с суши. Но оценка времени, когда могла бы начаться эксплуатация этого источника энергии, — 2050 г. — это в лучшем случае просто догадка!

Тепловая энергия в океанах: «возможное» получение.Из всех потенциальных источников энергии, перечисленных в табл. 19.10, самым большим является разность температур между теплыми водами верхнего слоя и глубинными холодными водами. Физику этого громадного резервуара энергии объяснить легко (рис. 19.25).

При разности температур между глубинными и поверхностными водами 15° С и удельной теплоемкости воды 1 кал/(г - °С) (табл. 6.1) полная тепловая энергия, «запасенная» в каждом кубическом метре верхнего слоя воды, составляет — относительно низкотемпературного нижнего слоя — 15 млн. кал, или около 60 млн. Дж. Если высвободить эту энергию в течение одной секунды, то генерируемая мощность составит 60 млн. Дж/с, или 60 МВт. Рассмотрим этот факт с другой точки зрения: извлечение (теоретически) всей энергии, содержащейся в морской воде, при скорости пропускания воды через генератор 20 м3/с равнозначно работе современной атомной электростанции мощностью 1200 МВт! Как просто объясняется громадная теоретическая величина энергетического потенциала температурных градиентов, приведенная в табл. 19.10!

Но в действительности проект преобразования тепловой энергии океана ОТЕС (Ocean Thermal Energy Conversion) — это нечто другое. Проблема получения полезной энергии состоит в том, что мы не можем разработать для проекта ОТЕС генератор с коэффициентом полезного действия выше 2—3%, так как разность температур входящей и выходящей морской воды может быть всего 20 °С или около того. Следовательно, для того чтобы, как ранее говорилось, установка ОТЕС имела такую же мощность, что и у атомных станций — 1200 МВт,— она должна перекачивать каждую секунду 1000 м3 морской воды! Для сравнения напомним, что, как указано в табл. 18.1, средний расход реки Нил составляет 1583 м3/с. Поистине развитие проекта ОТЕС лимитировано жесткими рамками.

Установка ОТЕС должна перемещать огромные количества воды. На рис. 19.26 показана схема одного из вариантов такой установки.

Независимо от конкретных особенностей конструкции ее главным элементом будет длинная труба большого диаметра, которая должна уходить в глубину на несколько сотен метров, чтобы засасывать оттуда громадные объемы холодной глубинной воды. Холодная вода поднимается насосами к поверхности, где образует «холодный» конец системы циркуляции рабочего флюида; теплая поверхностная морская вода закачивается в том же объеме и создает «горячий» конец системы. Рабочий флюид — обычно это аммиак — заставляют циркулировать внутри этой системы: на горячем конце он испаряется, образуя газ высокого давления, а на холодном — конденсируется, создавая вакуум. Циркулирующий газ переносит энергию к турбине, а та вращает генератор.

Может показаться, что трудности перекачки таких больших объемов воды, не говоря уже о трудностях установки такой громадной трубы и поддержания ее в рабочем состоянии, не позволят системе ОТЕС стать выгодным способом получения энергии из моря. Однако у нас есть веские причины продолжать разработку этого проекта. Одна из них состоит в том, что огромные акватории, где разность температур между поверхностью и глубинами порядка 1000 м составляет 20 °С и больше, занимают весь центральный пояс Мирового океана (рис. 19.27).

В пределах этого пояса находятся сотни мест сосредоточения населения, где проект ОТЕС мог бы значительно уменьшить зависимость людей от дорогого импорта ископаемого топлива. Поскольку одним из побочных продуктов установок ОТЕС будет пресная вода, тысячи тихоокеанских островов, ныне необитаемых, стали бы пригодными для жизни.

Однако имеется еще одно побочное следствие работы установок ОТЕС, еще более соблазнительное и стимулирующее развитие этого проекта. Поднимаемая насосами холодная глубинная вода обогащена питательными веществами — это своего рода крупный апвеллинг. Поэтому работе станций ОТЕС может сопутствовать интенсивное развитие марикультуры в крупных масштабах. И наконец, не менее важно то, что вода, выбрасываемая этими станциями, будет все еще весьма холодной по сравнению с температурой воздуха в субтропиках и тропиках. Охлаждение воды вдоль побережья будет полезно для других сфер деятельности населения.

Заключение.«Декларацией Рейгана», обнародованной в 1983 г., США заявили свои претензии на 200-мильную исключительную экономическую зону, в которой они, согласно этому заявлению, имеют все права на возобновляемые ресурсы водного царства и на невозобновляемые ресурсы морского дна и его недр. В то же время США принимают на себя ответственность за правильное использование всех возобновляемых ресурсов в пределах этой зоны, а следовательно, они должны: 1) проводить все научные исследования, необходимые для понимания процессов в морской биосфере и всех ее пищевых цепях; 2) признавать рыболовные конвенции, заключаемые для сохранения мигрирующих видов; 3) охранять морские организмы, которым угрожает опасность.

Размещение районов рыболовства значительно изменилось во всем мире в связи с признанием необходимости ЭЗ. Главные страны, ведущие лов рыбы в отдаленных водах (Япония, СССР, Южная Корея и Испания), теперь должны заключать взаимовыгодные соглашения с приморскими странами, иначе они не смогут пользоваться их ресурсами. Страны, которые раньше никогда не занимались рыболовством дальше нескольких километров от берега, теперь начинают активно разрабатывать богатства своих ЭЗ и проводить соответствующие морские исследования. Смутно вырисовывается перспектива добычи криля в антарктических водах, что сулит удвоение нынешней ежегодной продукции рыболовства. Значение продуктов аквакультуры будет и дальше возрастать во всем мире, а концепция выкармливания рыбного «стада» на «пастбищах» открытого океана быстро находит сторонников среди тех, кто ведет промысел лососевых.

Разработка ресурсов морского дна уже стала предметом заботы государств, большинство которых лишено наземных запасов одного или нескольких стратегически важных металлов, таких как кобальт, марганец или медь. Всего лет 15 назад мы столкнулись с унылой перспективой нехватки минеральных ресурсов, которые всегда считались достаточными, но сегодня наши наземные запасы богатых руд железа, никеля и драгоценных металлов уже сильно истощены. Недавние открытия залежей железомарганцевых конкреций на подводном плато Блейк у берегов Флориды, рудных корок на многих тихоокеанских подводных горах и полиметаллических сульфидных залежей в рифтовых зонах — и все это в пределах 200-мильной экономической зоны США — снова поставили американскую промышленность на надежную основу обеспечения собственным сырьем.

Нет сейчас более серьезной проблемы, чем загрязнение наших прибрежных вод. И вовсе не нефть — не транспортировка нефтепродуктов и не добыча углеводородов из морских месторождений — обусловливает серьезность этой проблемы. Самое большое беспокойство у нас вызывает загрязнение Мирового океана ядовитыми химикатами, и хуже всего то, что многие морские организмы «накапливают» в себе массу разных микроэлементов. Многие микроэлементы, содержащиеся в прибрежных водах, токсичны. Мы должны в буквальном смысле сегодня направить усилия на кардинальное решение этой проблемы.

Наша взаимосвязь с морем обусловлена и потенциальной возможностью получать из него энергию. Из многих предложенных проектов только один привлекает сегодня к себе пристальное внимание. Это проект преобразования тепловой энергии океана. Его разработка сулит одновременное развитие аквакультуры на базе искусственного апвеллинга и полезные результаты от охлаждения прибрежных вод и воздуха в субтропических широтах.






Дата добавления: 2020-03-22; просмотров: 10;


Поделитесь с друзьями:

Вы узнали что-то новое, можете расказать об этом друзьям через соц. сети.

Поиск по сайту:

Введите нужный запрос и Знаток покажет, что у него есть.
Znatock.org - Знаток.Орг - 2017-2020 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.009 сек.