§ 3. Энергия океанов и морей

Энергия волн. Так называемая волновая мощность Мирового океана оценивается в 2,7 млрд кВт, что составляет треть потребляемой в мире энергии. Средняя волна высотой 3 м несет примерно 90 кВт энергии на 1 м2 побережья. При определении целесообразности размещения ВолнЭС в том или ином месте исходят из плотности приходящей энергии, т. е. ее значения на единицу длины волнового фронта. Например, на ряде прибрежных участков Японии этот показатель составляет до 40 кВт/ч волнового фронта, в районе Гебридских островов (Великобритания) — 80 кВт/ч.

Принцип работы ВолнЭС состоит в преобразовании потенциальной энергии волн в кинетическую энергию пульсаций и пульсаций далее в однонаправленное усилие, которое впоследствие приводит во вращение вал электродвигателя.

Волновые электростанции могут быть сооружены непосредственно на берегу, в акватории вблизи берега или в открытом море на различном удалении от берега.

Оригинальная плавучая электростанция была разработана в Японии, она начала давать ток в 1978 г. Станция позволяет преобразовывать энергию волн в камерах компрессионного типа в энергию сжатого воздуха. Далее сжатый воздух из соплового аппарата поступает на лопатки турбины, вращающей электрогенератор. Энергоустановка смонтирована на судне водоизмещением 500 т, ее максимальная мощность 2 кВт. Считают, что энергоустановки подобного типа экономически более эффективны, чем

другие для мелких населенных пунктов на побережье океана, где дополнительные транспортные расходы существенно увеличивают стоимость привозного органического топлива.

Главным преимуществом ВолнЭС является высокий уровень экологичности. Тем не менее, волновой энергетике присущ ряд недостатков: сравнительно низкая концентрация энергии, широкий спектр волновых колебаний, относительное непостоянство в пространстве и времени.

Энергия течений. Создание гидроэлектростанций, использующих энергию океанических течений (особенно таких как Гольфстрим и Куросио), признается одним из перспективных направлений развития океанской (морской) энергетики. Основным элементом таких гидроэлектростанций являются преобразователи, которые подразделяют на водяные и объемные насосы. К водяным насосам относят обычное лопастное колесо и различные его модификации (например, ленточное колесо с жесткими лопастями или устройства типа парашютов, автоматически раскрывающиеся при движении по потоку). Объемные насосы — это преобразователи типа сопла Вентури, у которого критическое сечение и срез расширяющейся части сопла соединены с атмосферой трубками. Жидкость в критическом сечении сопла движется со скоростью, большей скорости входящего потока. В результате создается пониженное давление, и воздух засасывается из атмосферы. После выхода из расширяющейся части сопла сжатый воздух поступает в напорную трубу, в которой расположена пневмотурбина.

В США разработан проект установки в районах относительно сильных течений турбины с диаметром рабочего колеса 170 м и длиной ротора 80 м. Последний должен быть изготовлен из алюминиевого сплава с предполагаемым сроком эксплуатации не менее 30 лет. Потоки воды течения вращают лопасти турбины, а через систему мультипликаторов, повышающих число оборотов, вращают и находящийся на ее валу электрогенератор. Указывается, что наибольшую проблему представит передача производимой электроэнергии по подводному кабелю на берег. Турбину намечается устанавливать в районах течений на якоре и поднимать на поверхность с глубины рабочего положения только для профилактического осмотра. Стоимость производимой электроэнергии на подобной электростанции ожидается в 1,8 раза ниже, чем на тепловых станциях, и в 1,4 раза ниже, чем на атомных.

Энергия приливов и отливов. Известно, что уровень Мирового океана периодически колеблется: происходят прилив и отлив.

1 Иередование приливов и отливов происходит ежесуточно через 6 ч 12 мин. Причиной указанного колебания является так называемая приливообразующая сила, которая возникает при гравитационном взаимодействии Земли с Луной и Солнцем.

Волна океанского прилива каждые 12 ч 25 мин поднимает уровень моря на Беломорском и Охотском побережье на 9-13 м. Прилив обладает огромной энергией, лишь в Европейской части России от прилива может быть получено до 40 млрд кВт-ч электроэнергии в год. Важно подчеркнуть, что, в отличие от энергии рек, среднемесячная величина приливной энергии остается неизменной в любой период года и не зависит от его водности.

Впервые идея использования энергии приливов и отливов была реализована во Франции в эстуарии реки Ране: в 1967 г. там дала ток первая в мире ПЭС (рис. 8.10).

Вода, проходя во время прилива через отверстия в плотине, приводит турбины в движение, генерируя электроэнергию. При отливе наклон лопастей меняется на противоположный, и генераторы продолжают работать без остановки.

Годом позже в СССР была пущена Кислогубская ПЭС, несколько отличающаяся от французской. Она была построена в устье реки Ура в 60 км западнее Мурманска, где высота прилива составляет 1,1-3,9 м.

Строительство Кислогубской ПЭС велось наплавным способом: станция была сооружена в одном месте, а затем по морю отбуксирована за 100 км в Кислую губу и погружена на подводное основание. Такой способ, получивший название «российского», считается в настоящее время наиболее целесообразным для морского строительства ПЭС.

После Кислогубской ПЭС (это единственная станция в России мощностью 400 кВт) построены самая большая в мире ПЭС в Аннаполисе (Канада) — 20 тыс. кВт и семь ПЭС в Китае суммарной мощностью 20 тыс.

Выработка электроэнергии на таких установках рентабельна при амплитуде колебаний уровня воды не менее 6 м. На Земле есть 15 мест, где амплитуда приливов и отливов достигает такой величины.

В России продолжаются работы по созданию мощных ПЭС. Так, выполнен проект Тугурской ПЭС на Охотском море, ее мощность (6,8 млн кВт) вдвое выше Братской ГЭС, а длина плотины достигает 18 км. Заканчивается проектирование Мезенской ПЭС на Белом море. Предполагается, что в Мезенском заливе будет отсечен от Белого моря огромный бассейн плотиной протяженностью 90 км; в ней будут размещены 800 капсульных гидроагрегатов общей мощностью 15 млн кВт. Энергию ПЭС (около 50 млрд кВт-ч) можно будет направлять в объединенные энергосистемы центра и северо-запада страны.

ПЭС повсеместно признаются одним из самых перспективных направлений энергетики. Они работают на возобновляемой энергии, не загрязняют воздух, не затопляют земель, не представляют потенциальной опасности для жителей близлежащих населенных пунктов, надежны в эксплуатации и значительно дешевле прочих источников энергии. Более того, сообщается, что ПЭС «Ране» (Франция) облагородила природу бассейна реки и даже улучшила в итоге биогенные факторы водной среды, способствовала тем самым развитию ценных популяций ихтиофауны.

Использование разности температур различных слоев морской воды. Установлено, что средняя разность температур в Мировом океане на поверхности и на глубине 400 м составляет 12 °С.

С целью преобразования энергии, обусловленной перепадом температур, используют системы, построенные: 1) по открытому принципу и одноконтурной схеме, когда в качестве рабочего тела применяется морская вода; 2) по закрытому принципу и двухконтурной схеме, когда применяется промежуточное рабочее тело (фреоны, аммиак, пропан и т. п.).

Принцип действия энергоустановок, использующих второй принцип (закрытый), состоит в следующем. Низкокипящее рабочее тело (например, широко применяемые в холодильной технике теплоносители группы фреонов или аммиак) испаряется в теплообменнике — испарителе за счет подвода теплоты от верхних теплых слоев океана.

Большой интерес представляют установки с открытым контуром, не требующие использования низкокипящих жидкостей. К ним относятся, например, такие, которые способны одновременно с электроэнергией давать пресную воду. В качестве энергоисточника для привода установки используется разность температур вод океана. Вместо аммиака в схеме с открытым контуром используется морская вода. Вода закипает при пониженных температурах и уменьшении атмосферного давления. При частичном вакууме (давление снижается в 15 раз по сравнению с давлением на уровне моря) вода при температуре 27 °С закипает, образуя пар для вращения турбины. Затем, когда пар сконденсируется с помощью охлаждения морской водой с глубины, на установке получают пресную воду. На рис. 8.11 показана схема энергоустановки-опреснителя.

Открытый цикл устраняет все проблемы, касающиеся обращения с аммиаком, фреоном и т. п. Пресная вода вырабатывается в качестве побочной продукции.

Рис. 8.11. Схема энергоустановки-опреснителя (Д. П. Никитин, Ю. В. Новиков, 1986 г.)

К основным недостаткам указанных установок относится нарушение теплового равновесия из-за перемешивания теплых поверхностных и холодных глубинных вод, при котором возможны отрицательные последствия для теплолюбивой фауны при изменении абсолютной температуры. Кроме того, содержание диоксида углерода в глубинных водах океана больше, чем в поверхностных, в результате чего он может выделяться в атмосферу и влиять на климатическую обстановку в данном регионе.