Мировой океан является перспективным источником энергии. По оценкам исследовательской службы Конгресса США общая первоначальная мощность возобновимых источников энергии Мирового океана составляет около 18 млрд. кВт, почти половина которой приходится на бассейн Тихого океана.
Первым видом энергетических ресурсов в Мировом океане, которые начал использовать человек, стали морские ветры. С древних времён парусные суда бороздят просторы морей и океанов. Хотя со временем их значение уменьшилось появились новые виды двигателей для судов.
Но и сейчас парус может найти применение на современных морских судах. В 1980 году в Японии был спущен на воду танкер грузоподъёмностью 1600 т имеющий дизельный двигатель и два паруса, компьютер управляет движением судна. Применение парусов позволяет экономить до 50% топлива по сравнению с обычным судном такого типа
В Китае в 2022 году сдан в эксплуатацию первый супертанкер для перевозки сырой нефти с парусной установкой New Aden. Его длина составляет 333 метра — примерно как три футбольных поля.
New Aden получил две пары жестких парусов из композитного материала на основе углеродного волокна. Они прочные, легкие, и им не страшна коррозия (что в условиях морской среды крайне важно). Каждый парус имеет площадь 1200 м².
Паруса управляются автономной системой Aerofoil Sails Intelligent Control, которая размещена в середине верхней палубы. Поднимать и опускать паруса можно одним нажатием кнопки. Также система постоянно собирает и обрабатывает навигационные данные, сама подбирает угол наклона парусов в зависимости от ветра.
Паруса позволят экономить до 10% топлива и меньше вредить природе. Подсчитано, что на маршруте «Ближний Восток — Дальний Восток» паруса помогут New Aden выбрасывать в год на 2,9 тысячи тонн CO₂ меньше.
С 2012 года до 2022 года финская компания Norsepower установила роторные паруса (Rotor Sails) на пяти судах - танкере Timberwolf (бывший Maersk Pelican), пароме Scandlines, Ro-Ro пароме Sea-cargo , теплоходе Viking grace , и на балкере Sea Zhoushan.
Роторные паруса представляют собой цилиндрические винты диаметром четыре метра и высотой 24 метра. Они монтируется на специальной платформе, которая может наклонять паруса, если в этом есть необходимость при проходе под мостами.
Пока роторные паруса не могут заменить обычные двигатели. Но они позволяют снизить затраты топлива на 10% и сократить выбросы до 3,4 тысячи тонн эквивалента CO₂ на судно в год.
Энергия ветра используется на морских нефтяных промыслах. В Мексиканском заливе на буровых платформах устанавливаются небольшие воздушные турбины, обеспечивающие часть потребности в электроэнергии.
Наиболее перспективными местами для использования энергии морских ветров считаются прибрежные зоны, хотя и инвестиций это требует больше: стоимость по сравнению с сушей в полтора-два раза выше.
В море, на расстоянии 10-12 км от берега, а иногда и дальше, строятся ветряные электростанции. Для строительства и обслуживания ветропарков приходится создавать специальную технику, порой весьма необычную.
Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров, после чего обустраивают распределительные подстанции и протягивают до побережья подводные кабели. Помимо свай для фиксации турбин могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания.
Первый прототип плавающей ветряной турбины построен компанией H Technologies BV в декабре 2007 года. Ветрогенератор мощностью 80 кВт был установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 метров (https://news.rambler.ru).
С осени 2017-го у северо-западного побережья Шотландии (Великобритания), примерно в 25 км от берега, работает первая в мире морская плавучая ветряная электростанция Hywind Scotland. Электроэнергия по подводному кабелю - 29 км поступает в город Питерхед.
Hywind Scotland принадлежит норвежской корпорации Statoil и её партнёру — компании Masdar. Она состоит из 5 турбин мощностью 6 МВт. Общая мощность этой ветроэлектростанции 30 МВт. За год она может произвести около 135 ГВт/ч электроэнергии и обеспечить электричеством 20 000 домов.
Мачты ветровых турбин не опираются на дно, а подвешены в толще воды, подобно колоссальным поплавкам. Их высота над поверхностью воды составляет 176 м, под водой — ещё 78 м, масса всей конструкции — около 12 тонн. Специальные якори удерживают их на глубине 800 м.
В 2022 году была открыта первая во Франции морская ветряная электростанция Сен-Назер. Она состоит из 80 турбин мощностью 6 МВт на площади 78 км² и расположена в округе Сен-Назер департамента Атлантическая Луара, в 12 км от побережья. Её общая мощность 480 мегаватт (МВт). Этого достаточно, чтобы покрыть 20% потребления электроэнергии в департаменте Атлантическая Луара. Морская ветроэлектростанция сможет обеспечить электроэнергией 700 000 человек.
От ветроэлектростанции Сен-Назер проложен подводный силовой кабель - 33 км, с двумя линиями кабеля по 225 кВ, до пляжа Куранс на западе города Сен-Назер и подземный - 28 км, для присоединения к высоковольтной электросети Франции в муниципалитете Принкиау.
Морская ветроэлектростанция Сен-Бриё строится в одноименном заливе Сен-Бриё в регионе Бретань (Франция) в 16,3 км от побережья. Она будет состоять из 62 ветряных турбин мощностью 8 МВт на площади 75 км². После завершения строительства её общая мощность составит 496 тыс. МВт. Она сможет производить 1,820 ГВт/ч в год, что эквивалентно годовому потреблению электроэнергии 835 тыс. жителей. Морской ветропарк будет полностью введен в эксплуатацию в 2023 году (https://news.rambler.ru).
В заливе Сен-Бриё рыбаки ловят морские гребешки . Рыбаки залива обеспокоены воздействием ветроэлектростанции на природу в результате шума ветряных турбин, производимых вибраций и загрязнения алюминием (примерно 64 тонны в год будут выброшены в море), а также разрушением морского дна в результате работ.
В Великобритании, в 89 километрах от Йоркшира в Северном море, в 2022 году ввели в эксплуатацию Hornsea 2 — крупнейшую в мире морскую ветряную электростанцию. Станция имеет мощность более 1,3 ГВт и простирается на площади в 462 км² — это более половины Нью-Йорка. На ней установлено 165 турбин мощностью 8 МВт с лопастями длиной 81 метр. Она обеспечит электроэнергией более 1,4 миллиона домов. Электростанция принадлежит датской энергетической компании Orsted.
Разрабатываются проекты строительства высоких ветровых вышек в зоне шельфа, энергия которых должна обеспечивать приморские районы и использоваться в подводных электролизных установках для получения водорода, который по трубам будет транспортироваться на берег. Некоторые специалисты считают, что водород - это будущее мировой энергетики. Уже сейчас разрабатывают автомобильные двигатели и энергетические установки, работающие на водороде.
Морские приливы образуются в результате взаимодействия вод Мирового океана с Луной и Солнцем, их энергия также используется человеком давно. Первые приливные мельницы появились на побережье Бретани, Андалузии и Англии ещё в 12 веке. В более поздние времена сотни таких приводили в движение лесопильные и мукомольные машины в британских владениях на территории Новой Англии (США).
Высота приливов в различных районах побережья Мирового океана существенно отличается. Она зависит от многих факторов, в том числе в значительной степени от конфигурации берегов. Высокие приливы образуются в узких заливах и в эстуариях рек. Суммарная энергетическая мощность приливов оценивается от 1 до 6 млрд. кВт.
Наибольшие приливы наблюдаются в заливе Фанди (до 17 м) на восточном побережье Северной Америки, на границе США и Канады. Среди других районов можно выделить северное побережье Франции, эстуарий реки Северн (Великобритания), о. Баффинова Земля (Канада), побережье полуострова Аляска (США), северо-западное побережье Австралии, Камбейский залив (Индия), устье реки Сеул (Республика Корея), Пенжинскую губу и Тугурский залив Охотского моря (Россия), Мезенский залив Белого моря (Россия).
В начале 20 века начались работы по проектированию приливных электростанций (ПЭС). Для эффективной работы такой электростанции высота приливной волны должна быть не менее 5 м. Подобных мест в мире по разным источникам насчитывается от 25 до 40. Многие из них находятся в отдалённых от основных потребителей электроэнергии районах с суровыми климатическими условиями. Если во всех этих районах построить ПЭС, они могли бы производить за год столько же электроэнергии, сколько можно получить на тепловых станциях при сжигании 1 млрд. баррелей нефти.
Первая в мире промышленная ПЭС мощностью 240 тыс. кВт построена во Франции в эстуарии реки Ранс. Её первый агрегат вступил в строй в 1966 году, а строительство завершено в 1968 году. В 1968 году вступила в строй экспериментальная Кислогубская ПЭС на Кольском полуострове (Россия), её мощность - 400 кВт.
Экспериментальная ПЭС Аннаполис в заливе Фанди (Канада, провинция Новая Шотландия) мощностью 20 тыс. кВт вступила в строй в 1985 году. Она построена в устье реки Аннаполис на основе уже существующей дамбы, защищающей плодородные земли от затопления в период штормов.
В Китае построены более 100 ПЭС, использующие сравнительно небольшой высоты приливы и малой мощности. Крупнейшие из этих станций: Цзянсян - 3,2 тыс. кВт и ПЭС возле города Ханчжоу - 545 кВт.
Большие технические трудности, связанные со строительством больших плотин и использованием сложного электрооборудования, препятствуют осуществлению проектов крупных ПЭС. Длина плотины ПЭС "Ранс" достигает 750 м. Проект станции в бухте Мон-Сен-Мишель (в 40 км от устья реки Ранс) предусматривал сооружение дамб и перемычек общей длиной 30 км.
Такое строительство требует значительных капиталовложений. Важным вопросом при создании грандиозных сооружений ПЭС является их воздействие на окружающую среду. Необходимо также решить проблему приспособления потребления электроэнергии таких станций к графику её выработки.
При рассмотрении проблемы использования энергии приливов не следует забывать о возможных глобальных последствиях. По расчётам французских инженеров, использование 2 млрд. кВт приливной энергии замедлило бы вращение Земли в такой степени, что время одного оборота возрастало бы на 24 часа каждые 2000 лет.
Современными лидерами в строительстве приливных электростанций являются Великобритания и Республика Корея.
В Великобритании в 2008 году введена в эксплуатацию ПЭС СиДжен (англ. SeaGen). Она состоит из одного гидроагрегата мощностью в 1,2 тыс. кВт. Генератор установлен в проливе, соединяющем залив Странгфорд-Лох с Ирландским морем, между Портаферри и Странгфордом в графстве Даун Северной Ирландии. Устройство представляет собой полупогружённую плавающую приливную турбину, прикреплённую к морскому дну посредством поворотного буя, что позволяет станции поворачиваться на 180°. Генератор СиДжен весит 300 тонн. Станция расположена преимущественно под водой и её турбины крутятся медленно, поэтому она не представляет угрозы для дикой природы (Википедия).
В 2011 году в Республике Корея построили ПЭС Сихва (Sihwa) мощностью 254 тыс. кВт. Она находится в искусственном заливе Сихва на северо-западном побережье Южной Кореи в провинции Кёнгидо на западе от города Ансан примерно в 40 км к юго-западу от столицы Республики Кореи Сеула.
Для ПЭС использовали уже построенную дамбу, которая перегораживала залив. Из-за отсутствия водообмена искусственного залива с Жёлтым морем возникли серьёзные экологические проблемы. Было принято решение соединить этот залив с морем, а энергию приливов использовать для получения электроэнергии.
В бухте Ансан, от которой отделен залив Сихва, прилив составляет порядка 8 метров. В этом регионе запланировано также строительство ещё трёх приливных электростанций: в бухте Гарорим - 500 тыс. кВт, в бухте Инчхон - 1320 тыс. кВТ и в бухте Хонсу - 700 тыс. кВт (Википедия).
В 2017 году частная британская компания-разработчик проектов морской энергетики SBS INTL в Индонезии начала строительство ПЭС Lombok мощностью 150 тыс. кВт. Она будет располагаться неподалеку от острова Ломбок (провинция Западные Малые Зондские острова, Индонезия). www. renewnews.ru
Шотландская инновационная инженерная компания Orbital Marine Power ввела в эксплуатацию в мае 2021 года плавучую приливную электростанцию Orbital O2 в Испытательном полигоне приливной энергии Европейского морского энергетического центра Фолл-оф-Уорнесс у побережья острова Эдей в архипелаге Оркнейских островов (Великобритания).
Orbital O2 - 680-тонная плавучая приливная электростанция, длиной 74 метра. Её мощность - 2 МВт. Это самая мощная приливная электростанция в мире.
Две турбины на специальных опорах закреплены на глубине 35 метров и начинают вырабатывать электроэнергию во время прилива. Когда прилив прекращается и начинается отлив, лопасти турбин начинают вращаться в другом направлении.
Электричество передается от турбин по динамическому кабелю на морское дно и по статическому кабелю на морском дне в местную береговую электросеть. Orbital O2 обеспечит питание берегового электролизера Европейского морского энергетического центра для выработки экологически чистого водорода из морской воды.
Морскую поверхность можно использовать для строительства солнечных электростанций.
В Джохорском проливе между Сингапуром и Малайзией построили крупнейшую в мире морскую плавучую солнечную электростанцию. Её мощность сравнительно небольшая — всего 5 МВт. В год она будет вырабатывать до 6 млн кВт·ч электроэнергии.
При строительстве электростанции пришлось решать ряд вопросов, включая безопасность для судоходства и проблему с обрастанием плотов ракушками. Также электростанцию жёстко закрепили на месте, чтобы избежать пагубного влияния штормов. Выработанное электричество по кабелю передаётся на берег в национальную энергораспределительную систему Сингапура. www. 3dnews.ru 26.03.2021
Идея использования разницы температур верхних и нижних слоёв тропических морей для получения электроэнергии впервые была реализована в Карибском море с помощью установки на борту корабля в конце 20-х годов 20 века.
Известно, что чем меньше атмосферное давление, тем ниже температура кипения воды и образования пара. Вода с температурой в 28 градусов (по шкале Цельсия), засасываемая вакуумом 0,01 атм. оказывается способной быстро кипеть, а образующийся при этом пар вращает турбину. На этом физическом принципе основана работа моретермальной станции.
Наиболее благоприятны для строительства таких станций тропические и субтропические районы с большими глубинами у берегов, где температура воды на поверхности 30 градусов, а на глубине 400-500 м - 8-10 градусов. С большей эффективностью можно использовать температурный градиент применяя в качестве теплоносителя аммиак или фреон.
Демонстрационная установка мощностью 50 кВт, смонтированная американскими специалистами на специальном судне, использующая аммиак, была испытана в 1979 году вблизи Гавайских островов.
Японская установка мощностью 180 кВт на берегу острова Науру (к югу от Маршалловых островов), использующая фреон-22, начала работать в 1981 году.
Широкому использованию температурного градиента препятствует высокая стоимость проектирования и строительства электростанций, которая составляет миллионы долларов.
В городе Абиджан (Кот-д’Ивуа́р) построили моретермальную станцию мощностью 14 тыс. кВт. Однако стоимость её электроэнергии была выше, чем на тепловых станциях и эту станцию закрыли.
В 2015 году американская компания Makai Ocean Engineering построила на Гавайях крупнейшую в мире станцию, производящую электричество от перепадов температур. В качестве теплоносителя используется аммиак. Планируется, что станция будет обеспечивать электроэнергией около 120 близлежащих домохозяйств (ecotechnica.com.ua).
Для арктических районов Мирового океана рассматривается возможность использования разницы температуры морской воды (подо льдом) и атмосферного воздуха, которая в зимний период составляет 26 градусов.
Идея использования разности солёности вод в Мировом океане для получения электроэнергии возникла сравнительно недавно и сразу привлекла внимание.
Между пресной и морской водой возникает осмотическое давление. В отдельных районах, например, при впадении реки Иордан в Мёртвое море может быть получено осмотическое давление до 500 атмосфер, которое позволяет получить до 370 млрд. кВт ч электроэнергии в год.
По расчётам специалистов, в устье Амазонки можно получить 4100 млрд. кВт ч в год, Конго - 1100, Янцзы - 460, Ганга - 410. Пока проекты электростанций, использующих этот вид энергии, находятся в стадии разработки.
При использовании разности солёности в местах впадения рек в Мировой океан необходимо оценивать возможные экологические последствия. Районы устьев рек являются наиболее продуктивными участками, и изменение здесь солёности и скорости течения воды может оказать влияние на биологическую продуктивность больших районов шельфовых зон.
Наиболее низкую плотность энергии в Мировом океане имеют ветровые волны и течения. Тем не менее существует много конструкций устройств, использующих энергию волн.
По расчётам британских специалистов, 1000 км морского побережья страны, оборудованного волноуловителями, совершающими колебательные движения под действием набегающих волн, теоретически способна обеспечить половину современных потребностей Великобритании в электроэнергии.
В небольших масштабах энергия волн используется уже в настоящее время, например, для обеспечения буёв и маяков электроэнергией.
Первая волновая электростанция расположена в районе Агусадора, Португалия, на расстоянии 5 километров от берега. Была официально открыта 23 сентября 2008 года португальским министром экономики. Мощность данной электростанции составляет 2,25 тыс. кВт, этого хватает для обеспечения электроэнергией примерно 1600 домов. Стоимость строительства составила 8 миллионов евро (Википедия).
В 2009 году на Оркнейских островах (Великобритания) была введена в эксплуатацию волновая электростанция . В 2010 году начали морской исследовательский проект по ветровой и волновой энергетике Wave Hub. Примерно в 10 милях (16 км) от Хейла, на северном побережье Корнуолла (Великобритания) был установлен концентратор - "розетка", расположенная на морском дне для подключения преобразователей волновой энергии (Википедия).
Океанские течения можно использовать только в районах сильных и постоянных потоков. Энергетическая мощность Гольфстрима оценивается в 25 млн. кВт, Тихоокеанского пассатного течения - 20 млн. кВт.
Подсчитано, что, если бы можно было использовать всю энергию подводного течения Куросио, это было бы равно общему производству электроэнергии в Японии. Куросио имеет ширину до 100 километров, можно было бы установить в нём несколько генераторов, чтобы создать крупномасштабную выработку электроэнергии.
Японская машиностроительная компания IHI Corporation разработала турбину «Кайрю» (Kairyu) для использования энергии океанских течений. Это первая глубоководная турбина.
Турбина, размещенная на на глубине 30 - 50 метров от поверхности океана и закрепленная на дне с помощью специальных якорей, может использовать стабильные глубоководные течения. Она разрабатывалась около 10 лет.
В феврале 2022 года IHI успешно завершила длившиеся 3,5 года испытания 330-тонного прототипа, закреплённого на морском дне в водах вблизи острова Якусима (Япония).
Огромная турбина «Кайрю» чем-то напоминает самолёт и включает в себя две турбины с 36-футовыми (11 м) лопастями, вращающиеся в противоположных направлениях, и центральный блок корпуса, содержащий систему регулировки плавучести.
Вращаясь в противоположных направлениях, две турбины уравновешивают крутящий момент — силу, которая может заставить объект вращаться вокруг оси, — и поддерживают стабильное положение генератора под водой.
Такая конструкция обеспечивает возможность свободно плавать в подводном состоянии.
Генератор включает в себя механизм, изменяющий угол наклона лопастей турбины в соответствии со скоростью океанского течения, что позволяет системе вырабатывать электроэнергию максимально эффективно.
Когда системе требовалось техническое обслуживание, операторы поднимали турбину на поверхность воды для облегчения доступа.
Долгосрочный план IHI Corporation - разместить несколько турбин в Куросио, одном из самых мощных океанских течений в мире, и передавать энергию по подводным кабелям.
Плавучая турбина, способная стабильно вырабатывать электроэнергию из океанских течений, может служить недорогим источником энергии для удалённых островов, где трудно получать электроэнергию традиционным способом, а в будущем также сможет обеспечивать потребности основных островов Японии.
По оценкам IHI, стоимость электроэнергии, получаемой из океанских течений составит около 20 иен (чуть более 8 рублей) за киловатт-час, по сравнению с примерно 17 иенами солнечных электростанций и от 12 до 16 иен ветровых. Однако, в отличие от солнечной и ветровой энергии, глубоководные течения являются постоянными и устойчивыми, а значит, могут стать очень важной частью будущих энергетических потребностей Японии.
При крупномасштабном использовании энергии океанских течений необходимо учитывать, что это приведёт к замедлению их скорости и необратимым экологическим последствиям, а также глобальным климатическим изменениям.
В качестве одного из источников энергии океана рассматривается также биомасса (в первую очередь водоросли). При её использовании можно получить столько же энергии, сколько и при сжигании дров.
В заключении следует отметить:
1. Современные технологии позволяют использовать энергетические ресурсы Мирового океана. Наиболее перспективными источниками энергии можно считать морские ветры, волны и приливы.
2. При использовании энергетических ресурсов Мирового океана необходимо учитывать экологические последствия. Любое хозяйственное воздействие может повлечь необратимые изменения в этой уникальной природной среде.
Если вам понравилась моя статья, тогда не забывайте ставить лайк. Подписывайтесь на канал "География для всех" от Сергея Лашманова и узнаете ещё много интересного о современном мире.
Пишите свои комментарии к моей статье. Как вы считаете насколько перспективно использование энергетических ресурсов Мирового океана?