Энергия морей и океанов

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра физической химии

Реферат

по курсу «Экология»

Фамилия студента.

Группа.

Оглавление

1. Зачем нужна энергия океана

2. Энергия мирового океана

3. Энергия приливов

4. Тепловая энергия океана

5. Энергия волн и течений

6. Биохимическая энергия

7. Выгоды использования энергии океана

Список литературы

1. Зачем нужна энергия океана

Почему же именно сейчас, как никогда остро, встал вопрос: что ждет человечество - энергетический голод или энергетическое изобилие? Не сходят со страниц газет и журналов статьи об энергетическом кризисе. Из-за нефти возникают войны, расцветают и беднеют государства, сменяются правительства. К разряду газетных сенсаций стали относить сообщения о запуске новых установок или о новых изобретениях в области энергетики. Разрабатываются гигантские энергетические программы, осуществление которых потребует громадных усилий и огромных материальных затрат.

Если в конце прошлого века самая распространенная сейчас энергия - электрическая - играла, в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль, то уже в 1930 году в мире было произведено около 300 миллиардов киловатт-часов электроэнергии. Гигантские цифры, небывалые темпы роста! И все равно энергии будет мало - потребности в ней растут еще быстрее.

Уровень материальной, а в конечном счете и духовной культуры людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добыть руду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно израсходовать энергию. А потребности человека все время растут, да и людей становится все больше.

Так за чем же остановка? Ученые и изобретатели уже давно разработали многочисленные способы производства энергии, в первую очередь электрической. Давайте тогда строить все больше и больше электростанций, и энергии будет столько, сколько понадобится! Такое, казалось бы, очевидное решение сложной задачи, оказывается, таит в себе немало подводных камней.

Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразований из других форм. Вечные двигатели, якобы производящие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт получаются в принципе тем же способом, которым пользовался первобытный человек для согревания, то есть при сжигании топлива, или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях.

Конечно, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее.

Проблема будущей нехватки нефти известна довольно давно. Является хорошо установленным фактом то, что на рубеже тысячелетий заканчивается период роста мировой добычи нефти и начинается ее долгое и неуклонное падение, которое должно закончиться истощением запасов. В 1956 году геолог King Hubbert предсказал, что добыча нефти в Америке достигнет своего пика в 1970 году. В том же 1970 году компания ЭССО предсказала, что мировая добыча достигнет пика где-то в 2000 году. В 1976 году Министерство энергетики Великобритании опубликовало доклад, в котором указало, что запасы нефти в Северном море достигнут пика к концу века, то есть в то же самое время, что и мировая добыча нефти. После прохождения пика добычи нефти все потребители по всему миру окажутся перед лицом огромных трудностей, не из-за дороговизны нефти, а из-за ее нехватки. Нефтяная экономика сегодня всецело зависит от приближающегося пика добычи.

На графике показано, что пик ожидается в 2005 году. На самом деле он не будет иметь форму поворотного момента, а просто производство начнет медленно падать, цены будут расти все быстрее. Добыча нефти стабилизируется в течение 5 лет на более низком уровне. За этим последует резкий обвал, ведущий к истощению.

Рост цен на нефть показывает, что это только начало ценового кризиса, который достигнет пика в том же 2005 году. Могут быть непродолжительные флуктуации. Возможно, рост цен приведет к осуществлению программ по открытию новых скважин. Однако в период между 2001 и 2003 годами напряжение будет расти, и стабилизация падения производства станет превалирующей. Когда рынок поймет, что цены в будущем будут еще выше, начнется паника. Затем последует болезненный период очень высоких цен и стабильного спроса, за которым поставки нефти рухнут, и начнется окончательное падение.

Ничего этого не произошло бы, если бы мир потратил последние 25 лет на создание альтернативных источников энергии, энергосберегающих технологий и экономичных способов землепользования, характеризующихся меньшей зависимостью от транспорта.

2. Энергия мирового океана

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 10²⁶ Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 10¹⁸ Дж. Однако пока что люди умеют утилизировать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений.

3. Энергия приливов

Наиболее очевидным способом использования океанской энергии представляется постройка приливных электростанций (ПЭС).

Приливы обусловлены силами притяжения Луны и Солнца в сочетании с центробежными силами, развивающимися при вращении систем Земля-Луна и Земля-Солнце. Движение этих тел относительно друг друга порождает различные приливные циклы: полусуточный, весенний квадратурный, полугодовой и другие более длительные циклы. Все оказывают влияние на уровень подъема воды, и знание этих колебаний необходимо для правильного проектирования приливных энергетических систем.

Амплитуда приливов может значительно увеличиваться за счет таких факторов, как склоны, воронки, характерное отражение и резонанс. Наиболее часто такие условия наблюдаются в устьях рек.

Теоретически приливные электростанции могли бы производить в целом 635 тыс. ГВт*ч/год электроэнергии, что является энергетическим эквивалентом более чем 1 млрд баррелей нефти. Наиболее перспективными в этом отношении районами являются залив Фанди в Канаде и США, залив Кука на Аляске, Шозе в бухте Мон-Сен-Мишель во Франции, Мезенский залив в России, устье р. Северн в Великобритании, залив Уолкотт в Австралии, Сан-Хосе в Аргентине, залив Асанман в Южной Корее.

С незапамятных времен человек стремился использовать энергию приливов. Первые приливные мельницы появились на побережье Бретани, Андалузии и Англии еще в ХII в. В более поздние времена сотни таких устройств приводили в движение лесопильные и мукомольные машины в британских владениях на территории Новой Англии (США).

В настоящее время действует совсем немного приливных станций. Электростанция Ранс является первым и крупнейшим предприятием такого рода в мире. Она была задумана как прототип более крупных приливных станций на побережье Бретани. Строительство началось в 1961 г. и завершилось в 1968 г. Система использует двадцать четыре 10-мегаваттных турбины Каплана, обладает проектной мощностью 240 МВт и ежегодно производит около 50 ГВт*ч электроэнергии. Амплитуда прилива в устье реки составляет 14 м. Плотина длиной 750 м ограничивает бассейн площадью 22 км², который содержит 180 млн м³ полезной воды.

Другая крупная приливная электростанция мощностью 20 МВт расположена в Аннаполис-Ройал, в заливе Фанди (провинция Новая Шотландия, Канада). Она была официально открыта в сентябре 1984 г. Система смонтирована на о. Хогс в устье р. Аннаполис на основе уже существующей дамбы, защищающей плодородные земли от затопления морской водой в период штормов. Амплитуда прилива колеблется от 4,4 до 8,7 м.

Стоимость станции Аннаполис-Ройал составила 53 млн долл., или 2650 долл. за киловатт мощности. Согласно проекту, цена производимого электричества должна была составлять 2,7 цента за киловатт. Удовлетворительные показатели данной станции подтвердили рентабельность низконапорных гидроресурсов, открыли широкие перспективы строительства крупных приливных станций в Канаде и других частях земного шара.

Возможное воздействие приливных электростанций на окружающую среду будет связано с увеличением амплитуды приливов на океанской стороне плотины. Это может приводить к затоплению суши и сооружений при высоких приливах или во время штормов и к вторжению солёной воды в устья рек и подземные водоносные слои. Водные пищевые цепи и сообщества организмов в приливной зоне могут пострадать в результате изменения уровня воды и усилившихся течений как за плотиной, так и перед ней; для водных организмов небезопасно так же прохождение через турбины.

Следует так же упомянуть ещё одну отрицательную черту приливной энергии - то, что её выработка непостоянна. При обычной эксплуатации приливной энергии электричество вырабатывается только в начале прилива (или отлива). Эта циклическая выработка энергии вряд ли будет соответствовать суточным циклам потребности в ней. Пиковая потребность и пиковая выработка могут иногда совпадать, так как часы приливов сдвигаются по мере смены времён года, но чаще такого совпадения не будет. Это означает, что выработка энергии другими, центральными, станциями должна снижаться, когда темп приливной выработки достигает максимума, и возрастать, когда он падает. На электростанции «Ла-Ранс» эту задачу выполняет компьютер.

4. Тепловая энергия океана

Температура воды океана в разных местах различна. Между тропиком Рака и тропиком Козерога поверхность воды нагревается до 82 градусов по Фаренгейту (27 C). На глубине в 2000 футов (600 метров) температура падает до 35,36,37 или 38 градусов по Фаренгейту (2-3.5 С). Возникает вопрос: есть ли возможность использовать разницу температур для получения энергии? Могла бы тепловая энергоустановка, плывущая под водой, производить электричество? Да, и это возможно.

В далекие 20-е годы нашего столетия Жорж Клод, одаренный, решительный и весьма настойчивый французский физик, решил исследовать такую возможность. Выбрав участок океана вблизи берегов Кубы, он сумел-таки после серии неудачных попыток получить установку мощностью 22 киловатта. Это явилось большим научным достижением и приветствовалось многими учеными.

Используя теплую воду на поверхности и холодную на глубине и создав соответствующую технологию, мы располагаем всем необходимым для производства электроэнергии, уверяли сторонники использования тепловой энергии океана. "Согласно нашим оценкам, в этих поверхностных водах имеются запасы энергии, которые в 10 000 раз превышают общемировую потребность в ней".

"Увы, - возражали скептики, - Жорж Клод получил в заливе Матансас всего 22 киловатта электроэнергии. Дало ли это прибыль?" Не дало, так как, чтобы получить эти 22 киловатта, Клоду пришлось затратить 80 киловатт на работу своих насосов.

Сейчас приобрела большое внимание "океанотермическая энергоконверсия" (ОТЭК), т.е. получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами, например при использовании в замкнутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей как пропан, фреон или аммоний.

Последние десятилетия характеризуется определенными успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС - начальные буквы английских слов Осеаn Тhеrmal Energy Conversion, т.e. преобразование тепловой энергии океана). В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если но считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная -53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее - на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты анергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.

Три насоса потребовались из следующего расчета: один - для подачи теплой воды из океана, второй - для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий - для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т. е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочий жидкости применяется аммиак.

Установка мини-ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Трубопровод прикреплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случаи необходимости ого быстрое отсоединение. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба-судно. Оригинальность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма серьезной проблемой.

Впервые в истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полученный при эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро построить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще более мощных систем подобного типа.

Новые станции ОТЕС на мощность во много десятков и сотен мегаватт проектируются без судна. Это - одна грандиозная труба, в верхней части которой находится круглый машинный зал, где размещены все необходимые устройства для преобразования анергии. Верхний конец трубопровода холодной воды расположится в океане на глубине 25-50 м. Машинный зал проектируется вокруг трубы на глубине около 100 м. Там будут установлены турбоагрегаты, работающие на парах аммиака, а также все остальное оборудование. Масса всего сооружения превышает 300 тыс. т. Труба-монстр, уходящая почти на километр в холодную глубину океана, а в ее верхней части что-то вроде маленького островка. И никакого судна, кроме, конечно, обычных судов, необходимых для обслуживания системы и для связи с берегом.

Представляется, что некоторые из предлагавшихся океанских энергетических установок могут быть реализованы, и стать рентабельными уже в настоящее время.

5. Энергия волн и течений

Ещё в начале XX века американский инженер Рансом сконструировал установку, использующую энергию волн для сжатия воздуха. Схема его установки показана на рисунке.

Машина Рансома

Конструктором С. Солтером (S. Salter; Эдинбургский университет, Шотландия) предложен проект “Кивающая утка”. Поплавки, покачиваемые волнами, дают энергию стоимостью всего 2,6 пенса за 1 КВт\ч, что лишь незначительно выше стоимости электроэнергии, которая вырабатывается новейшими электростанциями, сжигающими газ (в Британии это - 2,5 пенса), и заметно ниже, чем дают АЭС (около 4,5 пенса за 1 КВт\ч).

Бакены и маяки, использующие энергию волн, уже усеяли прибрежные воды Японии. В течение многих лет бакены - свистки береговой охраны США действуют благодаря волновым колебаниям.

Недавно группа ученых океанологов обратила внимание на тот факт, что Гольфстрим несет свои воды вблизи берегов Флориды со скоростью 5 миль в час. Идея использовать этот поток теплой воды была весьма заманчивой. Возможно ли это? Смогут ли гигантские турбины и подводные пропеллеры, напоминающие ветряные мельницы, генерировать электричество, извлекая энергию из течений и воли? "Смогут" - таково в 1974 году было заключение Комитета Мак-Артура, находящегося под эгидой Национального управления по исследованию океана и атмосферы в Майами (Флорида). Общее мнение заключалось в том, что имеют место определенные проблемы, но все они могут быть решены в случае выделения ассигнований, так как "в этом проекте нет ничего такого, что превышало бы возможности современной инженерной и технологической мысли".

6. Биохимическая энергия

В океане существует замечательная среда для поддержания жизни, в состав которой входят питательные вещества, соли и другие минералы. В этой среде растворенный в воде кислород питает всех морских животных от самых маленьких до самых больших, от амебы до акулы. Растворенный углекислый газ точно так же поддерживает жизнь всех морских растений от одноклеточных диатомовых водорослей до достигающих высоты 200-300 футов (60-90 метров) бурых водорослей.

Морскому биологу нужно сделать лишь шаг вперед, чтобы перейти от восприятия океана как природной системы поддержания жизни к попытке начать на научной основе извлекать из этой системы энергию.

При поддержке военно-морского флота США в середине 70-х годов группа специалистов в области исследования океана, морских инженеров и водолазов создала первую в мире океанскую энергетическую ферму на глубине 40 футов (12 метров) под залитой солнцем гладью Тихого океана вблизи города Сан-Клемент. Ферма была небольшая. По сути своей, все это было лишь экспериментом. На ферме выращивались гигантские калифорнийские бурые водоросли.

По мнению директора проекта доктора Говарда А. Уилкокса, сотрудника Центра исследования морских и океанских систем в Сан-Диего (Калифорния), "до 50 % энергии этих водорослей может быть превращено в топливо - в природный газ метан. Океанские фермы будущего, выращивающие бурые водоросли на площади примерно 100 000 акров (40 000 га), смогут давать энергию, которой хватит, чтобы полностью удовлетворить потребности американского города с населением в 50 000 человек".

В океане растворено огромное количество солей. Может ли соленость быть использована, как источник энергии? Может. Большая концентрация соли в океане навела ряд исследователей Скриппского океанографического института в Ла-Колла (Калифорния) и других центров на мысль о создании таких установок. Они считают, что для получения большого количества энергии вполне возможно сконструировать батареи, в которых происходили бы реакции между соленой и несоленой водой.

Самолеты и легковые автомобили, автобусы и грузовики могут приводиться в движение газом, который можно извлекать из воды, а уж воды-то в морях достаточно. Этот газ - водород, и он может использоваться в качестве горючего. Водород - один из наиболее распространенных элементов во Вселенной. В океане он содержится в каждой капле воды. Помните формулу воды? Формула HOH значит, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Извлеченный из воды водород можно сжигать как топливо и использовать не только для того, чтобы приводить в движение различные транспортные средства, но и для получения электроэнергии.

Все большее число химиков и инженеров с энтузиазмом относится к "водородной энергетике" будущего, так как полученный водород достаточно удобно хранить: в виде сжатого газа в танкерах или в сжиженном виде в криогенных контейнерах при температуре ---423 градуса по Фаренгейту (-203 С). Его можно хранить и в твердом виде после соединения с железо-титановым сплавом или с магнием для образования металлических гидридов. После этого их можно легко транспортировать и использовать по мере необходимости.

Еще в 1847 году французский писатель Жюль Верн, опередивший свое время, предвидел возникновение такой водородной экономики. В своей книге "Таинственный остров" он предсказывал, что в будущем люди научатся использовать воду в качестве источника для получения топлива. "Вода, - писал он, - представит неиссякаемые запасы тепла и света".

Со времен Жюля Верна были открыты методы извлечения водорода из воды. Один из наиболее перспективных из них - электролиз воды. (Через воду пропускается электрический ток, в результате чего происходит химический распад. Освобождаются водород и кислород, а жидкость исчезает.)

В 60-е годы специалистам из НАСА удалось столь успешно осуществить процесс электролиза воды и столь эффективно собирать высвобождающийся водород, что получаемый таким образом водород использовался во время полетов по программе "Аполлон".

7. Выгоды использования энергии океана

Таким образом, в океане, который составляет 71 процент поверхности планеты, потенциально имеются различные виды энергии - энергия волн и приливов; энергия химических связей газов, питательных веществ, солей и других минералов; скрытая энергия водорода, находящегося в молекулах воды; энергия течений, спокойно и нескончаемо движущихся в различных частях океана; удивительная по запасам энергия, которую можно получать, используя разницу температур воды океана на поверхности и в глубине, и их можно преобразовать в стандартные виды топлива.

Такие количества энергии, многообразие ее форм гарантируют, что в будущем человечество не будет испытывать в ней недостатка. В то же время не возникает необходимости зависеть от одного - двух основных источников энергии, какими, например, являются давно использующиеся ископаемые виды топлива и ядерного горючего, методы получения которого были разработаны недавно.

Более того, в миллионах прибрежных деревень и селений, не имеющих сейчас доступа к энергосистемам, будет тогда возможно улучшить жизненные условия людей. Жители тех мест, где на море бывает сильное волнение, смогут конструировать и использовать установки для преобразования энергии волн. Живущие вблизи узких прибрежных заливов, куда во время приливов с ревом врывается вода, смогут использовать эту энергию.

Для всех остальных людей энергия океана в открытом водном пространстве будет преобразовываться в метан, водород или электричество, а затем передаваться на сушу по кабелю или на кораблях. И вся эта энергия таится в океане испокон веков. Не используя ее, мы тем самым попросту ее расточаем.

Разумеется, трудно даже представить себе переход от столь привычных, традиционных видов топлива - угля, нефти и природного газа - к незнакомым, альтернативным методам получения энергии. Разница температур? Водород, металлические гидриды, энергетические фермы в океане? Для многих это звучит как научная фантастика.

И, тем не менее, несмотря на то что извлечение энергии океана находятся на стадии экспериментов и процесс ограничен и дорогостоящ, факт остается фактом, что по мере развития научно-технического прогресса энергия в будущем может в значительной степени добываться из моря. Когда - зависит от того, как скоро эти процессы станут достаточно дешевыми. В конечном итоге дело упирается не в возможность извлечения из океана энергии в различных формах, а в стоимость такого извлечения, которая определит, насколько быстро будет развиваться тот или иной способ добычи.

Когда бы это время ни наступило, переход к использованию энергии океана принесет двойную пользу: сэкономит общественные средства и сделает более жизнеспособной третью планету Солнечной системы - нашу Землю.

Но стоит ли волноваться в поисках новых источников ископаемого топлива? Зачем дискутировать по вопросу о строительстве ядерных реакторов? Океан наполнен энергией, чистой, безопасной и неиссякаемой. Она там, в океане, только и ждет высвобождения. И это - преимущество номер один.

Второе преимущество заключается в том, что использование энергии океана позволит Земле быть в дальнейшем обитаемой планетой. А вот альтернативный вариант, предусматривающий увеличение использования органических и ядерных видов топлива, по мнению некоторых специалистов, может привести к катастрофе: в атмосферу станет выделяться слишком большое количество углекислого газа и теплоты, что грозит смертельной опасностью человечеству.

Итак, что же человечество должно делать? Будем ли мы истощать остатки ископаемого топлива, строить все большее число ядерных реакторов, рискуя изменить температуру атмосферы, или же обратимся к океану - кладезю неиссякаемой энергии - и будем искать способ извлечения этой энергии для достижения наших целей - вот в чем заключается вопрос.

Накануне вступления в 21 век ученые-океанологи призывают прекратить пустые дискуссии и отказаться от надежды на то, что "технологическое развитие разрешит все проблемы на суше". Они хотят обратить внимание общества на океан, который заряжается энергией внеземного происхождения, энергией доступной, не загрязняющей окружающую среду и возобновляемой. Океан наполнен внеземной энергией, которая поступает в него из космоса. Она доступна и безопасна, и не загрязняет окружающую среду, неиссякаема и свободна.

Из космоса поступает энергия Солнца. Она нагревает воздух и образует ветры, вызывающие волны. Она нагревает океан, который накапливает тепловую энергию. Она приводит в движение течения, которые в то же время меняют свое направление под воздействием вращения Земли.

Из космоса же поступает энергия солнечного и лунного притяжения. Она является движущей силой системы Земля - Луна и вызывает приливы и отливы.

Океан - это не плоское, безжизненное водное пространство, а огромная кладовая беспокойной энергии. Здесь плещут волны, рождаются приливы и отливы, пересекаются течения, и все это наполнено энергией.

Список литературы

Аугуста Голдин. Океаны энергии. - Пер. с англ. - М.: Знание, 1983.

Вершинский Н.В. Энергия океана. - М.: Наука, 1986.

Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания: в 4-х книгах. - М.: Мир, 1994.

Воронков В.А. Экология общая, социальная, прикладная: Учеб. для вузов. - М.: Агар: Рандеву-АМ, 1994.

Экологически чистая энергетика (в помощь лектору) / Авт.-сост. А.А.Каюмов. Горький: Горьковский областной совет ВООП и областной молодежный экологический центр “Дронт”, 1990. 76 с.

Источники энергии. Факты, проблемы, решения. - М.: Наука и техника, 1997.