Енергетичні та мінеральні ресурси Світового Океану
Проблема забезпечення електричною енергією багатьох галузей світового господарства, постійно зростаючих потреб більш ніж п'ятимільярдного населення Землі стає зараз все більш нагальною.
Основу сучасної світової енергетики складають тепло-і гідроелектростанції. Однак їх розвиток стримується низкою факторів. Вартість вугілля, нафти і газу, на яких працюють теплові станції, зростає, а природні ресурси цих видів палива скорочуються. До того ж багато країн не мають в своєму розпорядженні власними паливними ресурсами або мають в них недолік. Гідроенергетичні ресурси в розвинених країнах використовуються практично повністю:
більшість річкових ділянок, придатних для гідротехнічного будівництва, вже освоєні. Вихід з положення, що бачився у розвитку атомної енергетики. На кінець 1989 року в світі побудовано і працювало більше 400 атомних електростанцій (АЕС). Проте сьогодні АЕС вже не вважаються джерелом дешевої і екологічно чистою енергією. Паливом для АЕС служить уранова руда - дороге і важковидобувними сировину, запаси якого обмежені. До того ж будівництво та експлуатація АЕС пов'язані з великими труднощами і витратами. Лише деякі країни зараз продовжують будівництво нових АЕС. Серйозним гальмом для подальшого розвитку атомної енергетики є проблеми забруднення навколишнього середовища.
З середини нашого століття почалося вивчення енергетичних ресурсів океану, що відносяться до "поновлюваних джерел енергії".
Океан - гігантський акумулятор і трансформатор сонячної енергії, перетворюється в енергію течій, тепла і вітрів. Енергія припливів - результат дії приливоутворюючої сил Місяця і Сонця.
Енергетичні ресурси океану представляють велику цінність як відновлювані і практично невичерпні. Досвід експлуатації вже діючих систем океанської енергетики показує, що вони не приносять будь-якого відчутного збитку океанської середовищі. При проектуванні майбутніх систем океанської енергетики ретельно досліджується їх вплив на екологію.
Мінеральні ресурси
Океан служить джерелом багатьох мінеральних ресурсів. Вони поділяються на хімічні елементи, розчинені у воді, корисні копалини, що містяться під морським дном, як у континентальних шельфах, так і за їх межами; корисні копалини на поверхні дна. Понад 90% загальної вартості мінеральної сировини дає нафту і газ.
Загальна нафтогазова площа в межах шельфу оцінюється в 13 млн.кв.км (близько ? його площі).
Найбільш великі райони видобутку нафти і газу з морського дна - Перська і Мексиканська затоки. Розпочато промислова видобуток газу і нафти з дна Північного моря.
Шельф багатий і поверхневими покладами, представленими численними розсипами на дні, які містять металеві руди, а так само неметалеві копалини.
На великих площах океану виявлені багаті поклади железномарганцевих конкрецій - своєрідних багатокомпонентних руд, що містять так само нікель, кобальт, мідь та ін У той же час дослідження дозволяють розраховувати на виявлення великих покладів різних металів у конкретних породах, що залягають під дном океану.
Термальна енергія
Ідея використання теплової енергії, накопиченої тропічними і субтропічними водами океану, була запропонована ще наприкінці Х1Х ст. Перші спроби її реалізації були зроблені в 30-х рр.. нашого століття і показали перспективність цієї ідеї. У 70-і рр.. ряд країн приступив до проектування і будівництва досвідчених океанських теплових електростанцій (ОТЕС), що представляють собою складні великогабаритні споруди. ОТЕС можуть розміщуватися на березі або знаходитися в океані (на якірних системах або у вільному дрейфі). Робота ОТЕС заснована на принципі, що використовується в парової машини (див. рис.1). Котел, заповнений фреоном або аміаком - рідинами з низькими температурами кипіння, омивається теплими поверхневими водами. Утворюється пара обертає турбіну, пов'язану з електрогенератором. Відпрацьований пар охолоджується водою з нижчих холодних шарів і, конденсуючись в рідину, насосами знову подається в котел. Розрахункова потужність проектованих ОТЕС становить 250 - 400 МВт.
Вченими Тихоокеанського океанологічного інституту АН СРСР було запропоновано і реалізується оригінальна ідея отримання електроенергії на основі різниці температур підлідної води і повітря, що становить в арктичних районах 26 ° С і більше.
У порівнянні з традиційними тепловими та атомними електростанціями ОТЕС оцінюються фахівцями як більш економічно ефективні і практично не забруднюють океанську середу. Недавнє відкриття гідротермальних джерел на дні Тихого океану народжують привабливу ідею створення підводних ОТЕС, що працюють на різниці температур джерел та навколишніх вод. Найбільш привабливими для розміщення ОТЕС є тропічні і арктичні широти (див. рис.2 і рис.3).
Енергія припливів
Використання енергії припливів почалося вже в Х1 ст. для роботи млинів та лісопилок на берегах Білого і Північного морів. До цих пір подібні споруди служать жителям ряду прибережних країн. Зараз дослідження зі створення приливних електростанцій (ВЕЗ) ведуться в багатьох країнах світу (див. табліцу1 і карту1).
Два рази на добу в один і той же час рівень океану то піднімається, то опускається. Це гравітаційні сили Місяця і Сонця притягують до себе маси води. Далеко від берега коливання рівня води не перевищують 1 м, але біля самого берега вони можуть досягати 13 м, як, наприклад, в Пенжінской губі на Охотському морі.
Приливні електростанції працюють за наступним принципом: у гирлі річки або затоці будується дамба, в корпусі якої встановлені гідроагрегати. За греблею створюється приливної басейн, який наповнюється припливні течії, що проходить через турбіни. При відливі потік води спрямовується з басейну в море, обертаючи турбіни у зворотному напрямку. Вважається економічно доцільним будівництво ПЕС в районах з приливними коливаннями рівня моря не менше 4 м. Проектна потужність ПЕС залежить від характеру припливу в районі будівництва станції, від об'єму і площі приливного басейну, від числа турбін, встановлених в тілі греблі.
У деяких проектах передбачені дво-і більше басейнові схеми ПЕС з метою вирівнювання вироблення електроенергії.
Зі створенням особливих, капсульних турбін, що діють в обох напрямках, відкрилися нові можливості підвищення ефективності ВЕЗ за умови їх включення до єдиної енергетичної системи регіону або країни.
При збігу часу припливу або відпливу з періодом найбільшого споживання енергії ПЕС працює в турбінному режимі, а при збігу часу припливу або відпливу з найменшим споживанням енергії турбіни ПЕМ або вимикають, або вони працюють в насосному режимі, наповнюючи басейн вище рівня припливу або відкачуючи воду з басейну .
У 1968 р. на узбережжі Баренцева моря в Кислого губі споруджено першу в нашій країні дослідно-промислова ПЕС. У будівлі електростанції розміщено 2 гідроагрегату потужністю 400 кВт.
Десятирічний досвід експлуатації першого ПЕС дозволив приступити до складання проектів Мезенська ПЕС на Білому морі, Пенжінской (див. рис.4) і Тугурской на Охотському морі.
Використання великих сил припливів і відливів Світового океану, навіть самих океанських хвиль - цікава проблема. До рішення її ще тільки приступають. Тут багато чого треба вивчати, винаходити, конструювати.
ПЕС РАНС
У 1966 р. у Франції на річці РАНС побудована перша в світі приливна електростанція, 24 гідроагрегату якої виробляють в середньому за рік
502 млн. кВт. година електроенергії. Для цієї станції розроблений приливної капсульний агрегат, що дозволяє здійснювати три прямих і зворотних три режими роботи: як генератор, як насос і як водопропускну отвір, що забезпечує ефективну експлуатацію ПЕС. За оцінками фахівців, ВЕЗ РАНС економічно виправдана. Річні витрати експлуатації нижче, ніж на гідроелектростанціях, і становлять 4% капітальних вкладень.
Енергія хвиль
Ідея отримання електроенергії від морських хвиль була викладена ще в 1935 р. радянським вченим К. Е. Ціолковського.
В основі роботи хвильових енергетичних станцій лежить вплив хвиль на робочі органи, виконані у вигляді поплавців, маятників, лопат, оболонок і т.п. Механічна енергія їх переміщень за допомогою електрогенераторів перетворюється на електричну.
В даний час волноенергетіческіе установки використовуються для енергоживлення автономних буїв, маяків, наукових приладів. Попутно великі хвильові станції можуть бути використані для волнозащіти морських бурових платформ, відкритих рейдів, марікультурних господарств. Почалося промислове використання хвильової енергії. У світі вже близько 400 маяків та навігаційних буїв одержують харчування від хвильових установок. В Індії від хвильової енергії працює плавучий маяк порту Мадрас. У Норвегії з 1985 р. діє перша у світі промислова хвильова станція потужністю 850 кВт.
Створення хвильових електростанцій визначається оптимальним вибором акваторії океану зі стійким запасом хвильової енергії, ефективної конструкцією станції, в яку вбудовані пристрої згладжування нерівномірного режиму хвилювання. Вважається, що ефективно хвильові станції можуть працювати при використанні потужності близько 80 кВт / м. Досвід експлуатації існуючих установок показав, що виробляється ними електроенергія поки в 2-3 рази дорожче традиційної, але в майбутньому очікується значне зниження її вартості.
Установки з пневматичним перетворювачем
У хвильових установках з пневматичними перетворювачами під дією хвиль повітряний потік періодично змінює свій напрям на протилежний. Для цих умов і розроблена турбіна Уеллса, ротор якої володіє випрямляючих дією, зберігаючи незмінним напрямок свого обертання при зміні напрямку повітряного потоку, отже, підтримується незмінним і напрямок обертання генератора. Турбіна знайшла широке застосування в різних волноенергетіческіх установках.
Хвильова енергетична установка "каймою"
Хвильова енергетична установка "каймою" ( "Морський світ") - найпотужніша діюча енергетична установка з пневматичними перетворювачами - побудовано в Японії в 1976 р. Вона використовує хвилювання заввишки до 6 - 10 м. На баржі довжиною 80 м, шириною 12 м,
висотою в носовій частині 7 м, у кормовій - 2,3 м, водотоннажністю 500 т встановлені 22 повітряних камери, відкриті знизу; кожна пара камер працює на одну турбіну Уеллса. Загальна потужність установки 1000 кВт. Перші випробування були проведені в 1978 - 1979 рр.. поблизу міста Цуруока. Енергія передавалася на берег з підводного кабелю довжиною близько 3 км,
Норвезька промислова хвильова станція
У 1985 р. в Норвегії в 46 км на північний захід від міста Берген побудована промислова хвильова станція, що складається з двох установок. Перше встановлення на острові Тофтесталлен працювала з пневматичної принципом. Вона представляла собою залізобетонну камеру, заглиблені в скелі; над нею була встановлена сталева башта висотою 12,3 мм і діаметром 3,6 м. Вхідні в камеру хвилі створювали зміна об'єму повітря. Виникаючий потік через систему клапанів приводив в обертання турбіну і пов'язаний з нею генератор потужністю 500 кВт, річне вироблення становила 1,2 млн. кВт.год Зимовим штормом в кінці 1988 башта станції була зруйнована. Розробляється проект нової башти із залізобетону.
Конструкція другого установки складається із конусоподібних каналу в ущелину довжиною близько 170 м з бетонними стінками висотою 15 м і шириною в підставі 55 м, що входить в резервуар між островами, відокремлений від моря дамбами, і греблі з енергетичною установкою. Хвилі, проходячи по дедалі тіснішому каналу, збільшують свою висоту з 1,1 до 15 м і вливаються в резервуар площею 5500 кв. м, рівень якого на 3 м вище рівня моря. З резервуару вода проходить через низьконапірні гідротурбіни потужністю 350 кВт. Станція щорічно виробляє до 2 млн. кВт. год електроенергії.
Англійський "Молюск"
У Великобританії розробляється оригінальна конструкція хвильової енергетичної установки типу "молюск", в якій в якості робочих органів використовуються м'які оболонки - камери, в яких знаходиться повітря під тиском, наскільки великим атмосферного. Накатом хвиль камери стискаються, утворюється замкнене повітряний потік з камер в каркас установки і назад. На шляху потоку встановлені повітряні турбіни Уеллса з електрогенераторами.
Зараз створюється досвідчена плавуча установка з 6 камер, укріплених на каркасі довжиною 120 м і заввишки 8 м. Очікувана потужність 500 кВт. Подальші розробки показали, що найбільший ефект дає розташування камер по колу. У Шотландії на озері Лох-Несс була випробувана установка, що складається з 12 камер і 8 турбін, укріплених на каркасі діаметром 60 м і висотою 7 м. Теоретична потужність такої установки до 1200 кВт.
Хвильовий пліт Коккерела
Вперше конструкція хвильового плоту була запатентована в СРСР ще в 1926 р. У 1978 р. у Великобританії проводилися випробування досвідчених моделей океанських електростанцій, в основі яких лежить аналогічне рішення. Хвильовий пліт Коккерела складається з шарнірно з'єднаних секцій, переміщення яких щодо один одного передається насосів з електрогенераторами. Вся конструкція утримується на місці якорями. Трьохсекційний хвильової пліт Коккерела довжиною 100 м, шириною 50 м і висотою 10 м може дати потужність до 2 тис. кВт.
У СРСР модель хвильового плоту випробовувалася в 700-х рр.. на Чорному морі. Вона мала довжину 12 м, ширину поплавців 0,4 м. На хвилях висотою 0,5 м і довжиною 10 - 15 м установка розвивала потужність 150 кВт.
"Качка Солтер"
Проект, відомий під назвою "качка Солтер", являє собою перетворювач хвильової енергії (див. рис.5). Робочої конструкцією є поплавок ( "качка"), профіль якого розрахований за законами гідродинаміки. У проекті передбачається монтаж великої кількості великих поплавців, послідовно укріплених на загальному валу. Під дією хвиль поплавці приходять в рух і повертаються у вихідне положення силою власної ваги. При цьому приводяться в дію насоси усередині валу, заповненого спеціально підготовленою водою. Через систему труб різного діаметру створюється різниця тиску, що приводить в рух турбіни, встановлені між поплавцями і підняті над поверхнею моря. Виробляється, електроенергія передається з підводного кабелю. Для більш ефективного розподілу навантажень на валу слід встановлювати 20 - 30 поплавців.
У 1978 р. була випробувана модель установки довжиною 50 м, що складалася з 20-ти поплавців діаметром 1 м. Вироблена потужність склали 10 кВт.
Розроблено проект більш потужної установки з 20 - 30 поплавців діаметром 15 м, укріплених на валу, довжиною 1200 м. Орієнтовна потужність установки 45 тис.кВт.
Подібні системи встановлені біля західних берегів Британських островів, можуть забезпечити потреби Великобританії в електроенергії.
Енергія вітру
Використання енергії вітру має багатовікову історію. Ідея перетворення енергії вітру в електричну виникла наприкінці Х1Хв.
У СРСР перша вітрова електростанція (ВЕС) потужністю 100 кВт була побудована в 1931 р. у міста Ялта в Криму. Тоді це була найбільша ВЕС у світі. Середньорічне виробництво станції складала 270 МВт.час. У 1942 р. станція була зруйнована.
У період енергетичної кризи 70-х рр.. інтерес до використання енергії зріс. Почалася розробка ВЕС як для прибережної зони, так і для відкритого океану. Океанські ВЕС здатні виробляти енергії більше, ніж розташовані на суші, оскільки вітри над океаном більш сильні і постійні.
Будівництво ВЕС малої потужності (від сотень ват до десятків кіловат) для енергопостачання приморських селищ, маяків, опріснювачів морської води вважається вигідним при середньорічної швидкості вітру 3,5-4 м / с. Зведення ВЕС великої потужності (від сотень кіловат до сотень мегават) для передачі електроенергії в енергосистему країни виправдано там, де середньорічна швидкість вітру перевищує 5,5-6 м / с. (Потужність, яку можна отримати за 1 кв.м поперечного перерізу повітряного потоку, що пропорційна швидкості вітру в третього ступеня). Так, у Данії - однієї з провідних країн світу в галузі вітроенергетики діє вже близько 2500 вітрових установок загальною потужністю 200 МВт.
На тихоокеанському узбережжі США в Каліфорнії, де швидкість вітру 13 м / с і більше спостерігається протягом більше 5 тис, ч в році, працює вже кілька тисяч вітрових установок великої потужності. ВЕС різної потужності діють в Норвегії, Нідерландах, Швеції, Італії, Китаї, Росії та інших країнах.
У зв'язку з мінливістю вітру за швидкістю і напрямком велика увага приділяється створенню вітроустановок, що працюють з іншими джерелами енергії. Енергію великих океанських ВЕС передбачається використовувати при виробництві водню з океанської води або при видобутку корисних копалин з дна океану.
Ще наприкінці Х1Х ст. вітряної електродвигун використовувався Ф. Нансеном на судні "Фрам" для забезпечення учасників полярної експедиції світлом і теплом під час дрейфу в льодах.