Особенности энергетики морей и океанов

Приливная электростанция Аннаполис в Канаде. Фото Хартмута Инерла

Моря и океаны занимают 71% поверхности Земли. Объемы воды в этих акваториях огромны, а имеющаяся в них возобновляемая энергия практически неисчерпаема. Вода здесь пребывает в непрерывном движении, которое проявляется в волнах в открытом море, морском прибое, приливах и отливах, а также в морских течениях. Источником этой энергии является космос, главным образом Солнце: волны вызываются ветром, морские течения обусловлены особенностями климата, а приливы и отливы вызваны силами притяжения Луны и Солнца. 

Кроме четырех океанов (Атлантического, Тихого, Индийского и Северного Ледовитого) имеется множество морей, среди которых выделяют окраинные моря – Баренцево, Берингово, Охотское и др., находящиеся по окраинам океанов, и внутриконтинентальные – Черное, Балтийское, Средиземное и др., связанные с океанами проливами. Аральское и Каспийское моря также некогда соединялись с океаном. Выделяют два типа морей: котловинные, глубина которых достигает 5 км, а рельеф дна сходен с рельефом океана (Берингово, Охотское, Японское и др.), и плоские, глубина которых лишь местами превышает 300 м (Баренцево, Белое, Карское, Балтийское и др.). Плоские моря возникли в результате опускания участков суши ниже уровня океана. 

Каждому  из источников энергии присущи свои особенности, с которыми человеку приходится считаться, когда он пытается поставить его себе на службу.

Волны

Частицы воды в морских волнах движутся по эллиптическим орбитам, приближающимся к круговым. Диаметр этих орбит у морской поверхности соответствует высоте волны, а на глубине, равной половине длины волны, колебания частиц воды практически отсутствуют. 

Вдали от берега амплитуды волн открытого моря в штормы достигают 10 м и более, а длина волны может достигать сотен метров. Морская эрозия, действующая на морское дно, формирует горизонтальную поверхность (шельф или материковую отмель), глубина которой составляет 200–250 м, а ширина – до 1000 км.  У берегов, образованных горными хребтами, шельф может отсутствовать. 

Среднюю для океанических волн энергию оценивают величиной 50 кВт на погонный метр. Подсчитано, что с учетом неизбежных потерь использование энергии волн у побережья Англии дало бы 120 ГВт энергии, что превышает суммарную мощность электростанций страны. Суммарная мощность волн Мирового океана оценивается в 2700 ГВт. В России наиболее перспективными районами для освоения энергии морских волн считают побережье тихоокеанских морей и Баренцева моря.

Первая в мире волновая электростанция была установлена в 2008 году вблизи побережья Португалии (система Pelamis).

В Великобритании был разработан ряд проектов, основанных на использовании заякоренных понтонов, соединенных между собой шарнирами. Проходящая волна вызывает изгибы в шарнирах, которые используют в поршневой гидравлической системе, запасающей энергию в жидкости, сжатой до высокого давления. Эту энергию затем используют в гидродвигателе и электрогенераторе. Недостатки таких систем состоят в невысокой надежности якорных зацеплений и шарнирных соединений при штормах и подвижках льда.

В Японии реализовано устройство с проектной мощностью  2,2 МВт, представляющее собой заякоренный буй с полостью, открытой снизу. Под действием волн уровень воды в полости меняется. В надводной части буя имеется отверстие, через которое воздух выходит из полости при его вытеснении водой на гребне волны. При прохождении впадины волны воздух входит в полость. Течения воздуха через отверстие приводят в движение воздушную турбину, связанную с электрогенератором.  В автономных электрических буях полученную при этом электроэнергию используют для зарядки аккумуляторов, питающих мощную электролампу. 

Еще одно устройство с высоким КПД (до 90%) мощностью 100 кВт было предложено в электротехнической школе штата Орегон (США). В нем заякоренная цепочка постоянных магнитов заключена в медную катушку, жестко прикрепленную к бую из стеклопластика, который под действием волн колеблется вверх-вниз. В катушке, пересекающей силовые линии магнитного поля, наводится электродвижущая сила (ЭДС). В таком устройстве не требуется ни гидравлических, ни пневматических насосов. Преимущество такого устройства перед источниками, использующими энергию ветра, в том, что поведение волн более предсказуемо, а плотность энергии волн в десятки раз выше, чем ветра. 

Прибой

Морской прибой возникает из-за разности скоростей частиц воды на поверхности водоема и у дна, где они тормозятся трением. Форма движения орбит частиц воды деформируется так, что на мелководье резко возрастает горизонтальная составляющая  такого движения. Из-за замедления движения воды у дна верхние части волны, отличающиеся более высокой скоростью, поднимаются и обрушиваются на берег. Чем дно круче, тем больше разница в скоростях воды и тем мощнее прибой. Высота волн прибоя нередко превышает 50 м. 

Энергия прибоя огромна. В Амстердаме на пирс высотой 4 м прибой смог забросить бетонный блок массой 20 т. Наблюдались случаи, когда прибой перемещал глыбы массой в 50 т и более.

Франция также активно использует энергию морского прибоя. Фото Даниэля Джоливета

Особенно сильный прибой наблюдается в Северной Атлантике. Эта огромная энергия привлекла внимание норвежских энергетиков. В одном из технических решений они используют устойчивое бетонное сооружение, в котором имеется открытая в сторону моря камера. В нее поступают волны прибоя. Под водой в камере имеется широкое отверстие, выходящее в вертикальную шахту, в верхней части которой установлена воздушная турбина.Накатывающаяся вместе с прибоем вода заполняет камеру, уровень воды при этом в шахте повышается, а когда вода отступает – понижается. Поверхность воды в шахте служит своеобразным поршнем, который прогоняет воздух через турбину.  Конструкция турбины такова, что направление ее вращения не зависит от направления потока воздуха. Турбина эта вращает электрогенератор. Мощность экспериментальной установки составила 400 кВт. 

В Израиле компания SDE, занимающаяся волновой энергетикой, разработала установку, использующую энергию волн прибоя в области прибрежного подъема дна, где прибой почти никогда не затихает и где высота волн выше, чем в открытом море. Установка представляет собой пластиковые щиты (буи), приводящие в действие гидросистемы, связанные с генератором. В этой установке при сильном ударе штормовой волны пластиковый щит просто отбрасывается в нейтральное верхнее положение. После того как более слабая волна (ниже определенного порога) накатывается на устройство, оно автоматически опускает щит в рабочее положение. Преимущество данной установки состоит в том, что в ней в воду систематически погружается лишь минимум ее компонентов. Это позволяет сделать ее преимущественно надводной и более дешевой, чем ее прототипы, больше подверженные коррозии и загрязнению песком. В 2010 году опытная электростанция в районе Яффы в течение года работала с установленной мощностью до 40 кВт. Дальнейшие перспективы использования такой установки ее разработчики связывают с другими странами, а не с Израилем. Дело в том, что в Средиземном море волна относительно невысока, в отличие, к примеру, от американского побережья Тихого океана, где 3–4-метровый прибой в тихую погоду является обычным делом и где морские волны  будут приносить на порядок больше   энергии, чем в Израиле. Проблемы, однако, остаются, и они вызваны сильными штормами на Тихом океане.

Течения

Морские течения, в большинстве своем поверхностные, текут в разных направлениях. Об их силе и распространенности свидетельствует много примеров. Корабли-призраки, покинутые командой, бороздят океаны, следуя морским течениям. Английский корабль «Брунсвик» затонул вблизи южной оконечности Южной Америки, но бутылка с сообщением о его гибели была найдена у берегов Англии.

Морские течения могут быть постоянными, периодическими и случайными, теплыми и холодными. Среди них выделяют: дрейфовые, вода которых перемещается устойчиво дующим в одну сторону ветром; бароградиентные, у которых движение воды вызывается разницей атмосферного давления в разных частях моря; приливно-отливные; стоковые, вызванные продолжением течения рек под водой; конвекционные, образующиеся в результате изменения плотности воды в разных частях моря; компенсационные, когда течение воды компенсирует ее  избыток или недостаток в той или иной части акватории. 

Поверхностные течения хорошо исследованы. Пассатные течения протекают с востока на запад по обеим сторонам экватора. У материков они расходятся: на север теплыми течениями Гольфстрим и Куросио, которые затем поворачивают на юг уже холодными Гренландским и Лабрадорским течениями. К югу от экватора на восток протекает Антарктическое течение, а на север – Перуанское.

Современный уровень техники позволяет извлекать энергию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность одного квадратного метра поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Такие мощные течения, как Гольфстрим и Куросио, несут соответственно по 83 и 55 млн куб. м воды в секунду со скоростью 2 м/с.

Создание океанских электростанций сталкивается, однако, с рядом технических трудностей при разработке установок больших размеров, обусловленных их потенциальной угрозой судоходству.

В США с 1973 года разрабатывается программа «Кориолис», предусматривающая установку во Флоридском проливе, в 30 км восточнее города Майами, 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м, вращающимися в противоположных направлениях. Пара рабочих колес размещается внутри полой камеры из алюминия, обеспечивающей плавучесть турбины. Постоянное место турбины – под водой, подъем на поверхность воды – только для профилактического ремонта. Лопасти ее вращаются медленно, так что небольшие рыбы могут через нее свободно проплывать, а для крупных рыб вход закрыт предохранительной сеткой. Вся система общей длиной 60 км будет ориентирована вдоль основного потока. Ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км. Предполагается заглубление агрегатов на 30 м, чтобы не препятствовать  судоходству. Полезная мощность каждой турбины с учетом потерь при передаче энергии на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флорида в энергии на 10%. Разработан также проект турбины мощностью 400 кВт с рабочим колесом диаметром 12 м. 

Лабораторные испытания реактивной геликоидной (спиралевидной) гидротурбины (турбина Александра Горлова) позволили приступить к сооружению первой в мире океанской электростанции мощностью 136 МВт во Флоридском проливе в 5 км от острова Марафон. Эта турбина имеет три спирально закрученные лопасти и под действием воды способна вращаться в два-три раза быстрее скорости течения. Ее КПД в три раза выше, чем у обычных турбин. Существенно, что она способна вырабатывать энергию при слабых потоках жидкости.  Вся станция расположится на значительной глубине  и будет прикреплена ко дну якорями.

Компания «Кобольд» (Италия) разработала установку, представляющую собой 10-метровую платформу с вертикальной турбиной диаметром 6 м. Десять таких платформ позволят обеспечивать электричеством в автоматическом режиме остров с населением в тысячу человек. 

В Японии для использования энергии течения Куросио сконструировали две трехлопастные гидротурбины с диаметром рабочего колеса 53 м. В другой конструкции электростанции, использующей энергию морского течения, на дно моря устанавливают бетонную колонну. В подводной части этой колонны установлены два рабочих колеса, связанных с двумя электрогенераторами, расположенными в надводной части колонны. Такая схема устраняет  недостатки, связанные с необходимостью надежного уплотнения, и облегчает ремонтные и профилактические работы. На берегу острова Кучиносима построена уникальная электростанция, работающая от гребных винтов, расположенных на глубине около 50 м. Она работает в опытном режиме, а к 2020 году будет введена в постоянную эксплуатацию при мощности до 100 кВт. 

В инновационном проекте «Морской конек» Окинавского института науки и техники (OIST) используют подводные плавучие турбины, удерживаемые под поверхностью моря специальной швартовкой.  Электроэнергия, полученная  из энергии течения Куросио, по кабелям передается на берег. В этом проекте есть новинка, нацеленная на преобразование энергии морского прибоя. В OIST планируют использовать глубинные потоки, с большой скоростью набегающие на риф. Для этого на кораллах  устанавливают множество мини-турбин, которые помимо выработки электроэнергии будут служить своеобразными волнорезами, разбивающими волны и тем самым предотвращающими эрозию. Используя всего 1% побережья, Япония, по мнению ученых из OIST, может получить около 10 ГВт энергии, что эквивалентно десятку атомных станций. Свою разработку они назвали Wave Energy Converter (WEC). Турбины сконструированы так, чтобы смогли выдерживать не только постоянный прибой, но и резкие нагрузки во время тайфуна.

В Шотландии используют подводную турбину, являющуюся частью достаточно мощной электростанции, производящей энергию путем использования морских течений. Турбина установлена на глубине около 30 м неподалеку от Оркнейских островов. 

Приливы и отливы

Морские приливы дважды в сутки накатываются на берег, а затем отступают от него в виде отливов. Приливы обладают большой энергией и разрушают берег, действуя сообща с прибоем. 

Притяжение Солнца и Луны создает гигантскую приливную волну, энергия которой колоссальна. Приливная волна Индийского океана катится на 250 км против течения Ганга, а приливная волна Атлантического океана распространяется по Амазонке на 900 км. Попытки использовать энергию приливов известны давно. В древние времена силу приливов Ионического моря использовали греки. В 1100–1200 годах англосаксы и голландцы строили на побережье приливные мельницы. В Соловецком монастыре на Белом море в XVIII веке также была построена приливная мельница. 

Специфика приливных электростанций (ПЭС) состоит в том, что через водоагрегаты приходится пропускать огромное количество воды при очень малых ее напорах, и это требует установки большого числа специальных агрегатов с большими размерами рабочих колес. 

В 1968 году в Кольском заливе под Мурманском была построена Кислогубская ПЭС мощностью 800 кВт. На 2009 год  мощность этой ПЭС составила 1,7 МВт. За многие годы ее эксплуатации был проведен большой объем исследований по выявлению стойкости всей установки и ее отдельных узлов, ее эффективности и защищенности. Полученные при этом конструктивные, инженерные и экологические решения легли в основу разработки более мощных ПЭС. Использование в ней наплавных элементов  позволило отказаться от сооружения дорогостоящих стационарных перемычек, дамб и плотин, что значительно удешевило объем строительных работ. Российский опыт широко используют в других странах. ПЭС успешно действуют во Франции, в Канаде, Китае. 

В России существует проект строительства ПЭС в Мезенской губе на Белом море мощностью 8 ГВт, он включен в инвестпроект РАО «ЕЭС». Размещение ПЭС в Мезенской губе выбрано в связи с большой высотой приливов, которая здесь достигает 10 м. Годовая выработка электроэнергии составит около 40 млрд кВт-ч. Это столько же, сколько у всего Волжско-Камского каскада ГЭС.

Разность температур слоев воды

Разность температур в воде на поверхности акватории и в ее глубоких слоях также используют для выработки электроэнергии. Для электростанции, построенной по этому принципу, разность температур должна составлять как минимум 20 градусов по Цельсию. Соответствующая технология больше всего подходит для теплых морских районов (в экваториальных широтах), в которых поглощается до 35% солнечной энергии. Состоит она в том, что теплую воду используют для того, чтобы выпарить жидкость, кипящую на низких температурах, производя пар, который приводит в движение турбину. Холодная морская вода затем закачивается с глубины нескольких сотен метров и используется для охлаждения и конденсации пара обратно в жидкое состояние. За рубежом соответствующие технологии называют аббревиатурой OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion).

В начале XX века французский инженер Джордж Клод у берегов Кубы построил опытную электростанцию мощностью 22 кВт, работающую по этому принципу. Позже французские ученые работали над созданием морских парогенераторов у Берега Слоновой Кости. В качестве рабочей жидкости в термоустановках применяли пропан и аммиак, имеющие низкую температуру испарения. Поверхность океана в ОТЕС используется в качестве солнечных батарей. Они проще и дешевле, чем береговые солнечные электростанции. 

Интерес к ОТЕС возобновился в сравнительно недавнее время. Американо-тайваньский консорциум  запланировал строительство установки мощностью 10 МВт на Гавайях. Этой технологией, как и другими океанскими возобновляемыми источниками энергии, заинтересовались во Франции. По некоторым оценкам она имеет потенциал в несколько тысяч терраватт-часов электроэнергии в год. Такой способ производства электроэнергии, в отличие от энергии ветра и волн, вообще не подвержен колебанию погодных условий.

В районе Нью-Йорка построена электростанция мощностью 7180 кВт, использующая тепло океанской воды. Отработавший пар не сбрасывается в море, а конденсируется и образует пресную дистиллированную воду. В Карибском море создан энергобиологический комплекс. Он производит электрическую энергию в низкотемпературных парогенераторных установках и решает, кроме этого, множество других задач. С открытием гидротермальных источников на дне Тихого океана связывают идею создания подводных тепловых электростанций, работающих на разности температур источников и окружающей среды.

Американская компания Ocean Thermal Energy планирует построить на Багамских островах две водотермальные электростанции мощностью 10 МВт каждая. В 2013 году было подписано соглашение между концерном Lockheed Martin и пекинской компанией Reignwood о создании и размещении на юге Китая к 2017 году первой в мире коммерческой плавучей станции OTEC мощностью 10 МВт.