Снова работа. не по которой заказчих. "Диплом наука" кинул автора, не заплатив гонорар
УДК 620.9.001.12
Энергетика мирового океана. Современный статус и перспектива развития: эконмический контекст
Автор ФИО,
Должность
Energy of the World Ocean. Modern status and development prospects: the economical context
Аннотация: В статье исследована история и география развития влияния энергии мирового океана на экономику государств в области энергетики.
Ключевые слова: мировой океан, энергетика, НВИЭ, природные ресурсы, экономика.
Abstract: The article investigates the history and geography of the development of the influence of the energy of the world ocean on the economy of states in the field of energy.
Key words: world ocean, energy, NIEE, natural resources, economy.
Актуальность исследования определяется тем, что еще в середине прошедшего столетия в качестве энергетической основы множества стран оставалась нефть, которая оставалась ещё достаточно дешевой. Поэтому исследования, которые проводились тогда в сфере исследований применения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ) были чем-то экзотическим и не переходили грани экспериментов. Однако уже в 1973 г., когда грянул ближневосточный нефтяной энергетический кризис - всё изменилось. Стало понятно, что ориентирование экономики на дешевую импортную нефть, есть не что иное, как прямая и явная угроза энергетической безопасности множеству экономически развитых государств. Таким образом, большая часть экономически развитых стран пришлось срочно стали разрабатывать собственные новые энергетические стратегии, которые основывались на направлениях, среди которых основным было энергосбережение по всем отраслям энергетики, а также ускоренное развитие возможностей использования НВИЭ. Актуальность данной работы, таким образом, формируется тем, что в ней приводятся сведения о тепловой энергии океана, которые преобразуются при помощи комбинированных установок в тепловую и энергетическую энергию. Эта энергия представляет собой малую долю практически безграничных, возобновляемых энергетических ресурсов мирового океана. проблемы, поднятые в данной статье, исследовались учеными и специалистами достаточно широко и углубленно. Труды многих из этих ученых, в том числе, Т.А. Акимовой, В.В. Авдина, С.Н. Бобылев В.А. Василенко И.С. Гладкова, Ю.М. Галеновича Э.В. Гирусова, В. Глухова. А.В. Данильца, Д.А. Диксона, Л.Ф. Скура, Р.А. Карпентера, П.Б. Шермана, М. Мунасингхе, В. Круза Э. Пестеля Т. Некрасова Е.М. Олейника Н.Ф. Реймерса использовались автором данного исследования.
Мировой океан представляет собой непрерывную водную оболочку планеты Земля, которая распространяется на 71% от общей площади её поверхности и в абсолютном объеме достигает 361,1 млн. км2. Северное полушарие Земли отдает на долю океана 61% от всей площади поверхности, а Южное итого больше - 81% [6, c.28]. Само по себе понятие - Мировой океан вошло в российскую науку с «подачи» Ю. М. Шокальского. По своим параметрам: физическим, химическим, биологическим, Мировой океан есть некое единое целое. При этом целое бесконечно разнообразно по множеству характеристик: климатических, динамических, оптических, гидрологических режимов и т.д.
Океаны располагают собственной структурой распределения температур, а также соленостью, прозрачностью вод, характерными особенностями атмосферной и водной циркуляции, собственной системой течений, приливов и отливов и т. д. В общем, индивидуальные черты каждого океана формируют из него самостоятельный гигантский биотоп, а свойства - физические, химические и динамические, создают особые условия для обеспечения в нем жизни растений и животных. Огромным является потенциал энергетических ресурсов, которые несут воды Мирового океана. Наибольшим прогрессом отмечено применение энергии приливов-отливов. Ученые установили, что лучшими возможностями для создания крупных приливных станций, которые есть в 25 местах на Земле. Большой ресурс приливной энергии имеется в таких странах, как Франция, Канада, Великобритания, Австралия, Аргентина, США, Россия. Особенные возможности данных стран можно объяснить тем, что в них высота прилива доходит до 10-15 м.[6, c.40] Россия в области потенциальных запасов приливной энергии имеет одно из передовых мест в мире. Особенно значительны они на побережье Охотского, Белого и Баренцева морей [5, с.69]. Их суммарная энергия превышает в потенциале всю энергию, которую вырабатывают сегодня все гидроэлектростанции РФ. Некоторыми странами мира разрабатываются проекты по использованию энергии волн и течений.
В экономическом контексте большой интерес в современном мире представляют именно энергетические ресурсы Мирового океана. Данные ресурсы разнообразны. Мы уже вкратце рассматривали океаническую энергию приливов и отливов. Данное направление развития энергетики действительно несет в себе огромный энергетический потенциал. Таким образом, учеными-океанологами получены выводы о том, что энергия, которую несет океан во время приливов, превышает в 2000 раз энергетические запасы всех рек мира в течение календарного года. Однако приливные (приточные) электростанции (ПЭС) технически рентабельны только в местах, где разница уровня воды прилива и отлива, составляет более 5 м. [5, с.88]. Таким образом, первая ПЭС была построена в Англии, рядом с Ливерпулем в 1913 г. Начиная с того времени такие электростанции строились в разных странах много и сейчас, только в КНР действуют почти сотня 100 маломощные ПЭС[5, с.69]. Наибольшая по мощности ПЭС спроектирована на Северном море на полуострове Котантен и имеет установленную мощность в 50 млн кВт, передавая выработанную энергию Франции, Норвегии и Швеции. Еще один энергетический источник мирового океана - океанические морские течения. В целом, океанические и морские течения представляют собой гигантские потоки, которые имеют ширину в сотни и даже тысячи километров, например, Гольфстрим, Куросио, Антарктическое Циркумполярное течения. Данные течения достаточно быстро несут поток воды, которые в десятки и даже в сотни раз больше, нежели все реки на нашей планете. Постройка электростанции внутри течения кажется фантастикой только на первый взгляд фантастикой, но США уже имеет проект по установке турбин внутри Флоридского течения, которое является одним из ответвлений Гольфстрима неподалеку от полуострова Флорида. Проектом предусмотрены установка на якорях двух сотен турбин, которые имеют диаметр почти 80 м., на расстоянии до 20 км. одна от другой. Таким образом, скорость Гольфстрима в 2 м/с позволит получить от каждой турбины 24 тыс. кВт энергии, а при полной реализации проекта, около 25 млн кВт[3, с.176]. Очень интересным является такой источник электроэнергии, как энергия волн. При реализации проектов применения энергии волн большие наработки имеют Россия, Япония, США, Швеция, Австралия. Данные проекты все в целом разные, однако, они базируются на расчетах мощности, которая находит выход по фронту волны.
При этом, чем больше будет волна, тем будет лучше. При этом, конечно же, следует понимать, что стоимость волновой электроэнергии более высока, нежели от тепловых и атомных. Эта разность составляет 5-8 раз [3, с.177]. Однако нередко потребности требуют идти на данные затраты. К примеру, Япония имеет до 300 буев и маяков, которые запитаны электроэнергией от волновых станций. Следует отметить, что энергетические ресурсы Мирового океана, которые заключены в морских волнах, в настоящее время не достаточно хорошо изучены, хотя уже и стали применяться на практике[3, с.178].
Энергетические ресурсы Мирового океана, которые заключены в энергии ветра океанов и морей применяются с незапамятных времен, точнее с тех пор, как появились первые парусники. Несмотря на то, что от середины XIX в. парусные корабли стали уступать «господство на морях», пароходам, теплоходам, дизель-электроходам, атомоходам и т.д.
Однако в настоящее время обозначается тенденция к возвращению к парусникам - транспортным судам. Данные суда к тому же фактически не производят загрязнения вод морей, а также практически не уступают по скорости дизель-электроходам, то есть составляют почти 22 узлов. При этом ветер морей служит не только для парусников. К примеру, США имеет проекты устройства на шельфе Мексиканского залива высотных ветреных вышек, которые станут основой для двигателей, производящих электроэнергию и водород. В контексте экономичности ветровое энергетическое оборудование получает наибольшую перспективу [4, с.157]. Наконец, важным является использование термальной энергии океана и морей. Термальная энергия океанов уже стала добываться в океанах и морях тропических широт. При этом источник электроэнергии определяется разницей температур воды океана на поверхности, а также в ее толще. При этом, данная разница не должна быть меньшей 20° С. С интервалом глубин в 100 м. Именно поэтому в числе наиболее пригодных для этого рассматриваются акватории в промежутке от 20° с. ш. до 20° ю. ш. [3, с.187].
Принципом действия данных электростанций является то, что теплая вода закачивается в плавучую электростанцию, в которой ею нагревают жидкость (аммиак, пропан, изобутан) и испаряющуюся там, будучи герметически закрытой в то время, как температура была еще невысокой, а затем выбрасывающейся на турбинные лопатки. После прокрутки турбин паром, он отводится в холодный слой воды, а котором опять конденсируется в жидкость. Данные установки, не имеющие большой мощности стали производить ещё вначале 80-х гг. и устанавливать, вначале у Гавайских островов, а потом и на островах Амами в Японском море. Строятся такие электростанции в Бразилии и некоторых странах Африки. Запасы термальной электроэнергии в Мировом океане представляют 30 000 млрд. кВт [3, с.190].
Наконец, энергетические ресурсы Мирового океана имеются и в тяжелой воде. При том, что тяжелая вода, есть изотопная разновидность воды, которая замещает обычный водород тяжелым водородом - дейтерием. Данная вода, действительно тяжелее обычной воды. При том, что её доля в Мировом океане достигает только 1/5600, но и этого достаточно, для того, чтобы заполнить ею впадину Черного моря. Таким образом, тяжелый водород, который является источником термоядерного синтеза достаточно распространен для того чтобы получить из него огромное количество энергии. Поскольку в 1 г. дейтерия, во время превращении его в реактор в гелий, высвобождается 100 000 кВт энергии [3,с.193].
Таким образом, энергетические ресурсы мирового океана могут реализоваться в нескольких контекстах.
можно предположить, что Мировой океан является крупнейшим естественным коллектором солнечного излучения.
Однако необходимость и возможность использования ОТЭС регулируется факторами эффективности её использования, непосредственно для мест, в которых их предполагается использовать.
Отметим, что в Российской Федерации имеются значительные территории, на которых использование возможностей ОТЭС для выработки электроэнергии и тепла, может быть сравнительно эффективны, в сравнении с традиционными источниками энергии. А также некоторыми иными возобновляемыми источниками энергии, например, преобразованием солнечной энергии.
Такими территориями, несомненно, являются территории Арктической, Циркумполярной зоны РФ.
На этой территории населенные пункты и объекты производства нуждаются в относительно небольшом энергообеспечении, при этом имеется большая потребность в дополнительной выработке значительного количества тепла. Выработка данных видов энергии традиционными способами, через применение дизельных генераторов (или иных тепловых) требует использования большого числа углеводородного топлива, доставка которого на указанные территории сопряжена с большими трудностями, а значит, существенно повышает риски их выработки и уровень себестоимости производства электрической и тепловой энергии.
Применение генерации в данном регионе генерации солнечной энергии, ввиду незначительного среднегодового количества солнечных дней в году, также не может быть признано в данном регионе рентабельным.
Использование в качестве источника энергии ветровых генераторов может быть рассмотрено. Однако, особенности перемещения воздушных масс в регионе предполагает наличие там большого числа штормовых и ураганных явлений, которые требуют особых свойств северных ветровых генераторов и режима их эксплуатации. Данное обстоятельство также делает применение данного вида генерации электрической и тепловой энергии мало пригодна для этого региона.
Таким образом, мы можем предположить, что в общем, сравнительном контексте, в Арктическом, Циркумполярном регионе использование ОТЭС для электро- и теплоснабжения некоторых населенных пунктах и субъектов хозяйственного освоения могут быть признаны в достаточной степени эффективными и рациональными.
Таким образом, нам следует рассмотреть особенности генерации электрической и тепловой энергии разными видами ОТЭС.
Итак, поглощающие солнечное излучение поверхностные воды и воды более холодные, находящиеся на глубине и не доступные прямому солнечному излучению имеют разницу с поверхностными водами в температуре до 20 °С. Данным эффектом достигается непрерывное пополнение запаса тепловой энергии, которая может быть принципиально преобразована в иные виды. Сам по себе термин «преобразование тепловой энергии океана» (ocean termal energy conversion) (ОТЕС) предполагает преобразование некоторой части данной тепловой энергии в работу, которая в дальнейшем может превратиться уже в электроэнергию[8].
Таким образом, можно установить возможность по преобразованию тепловой энергии, которая «зарезервирована» океаном, в энергию механическую, а далее в электроэнергию. Однако данный процесс предполагает создание тепловой машины, которая тем или иным образом использует естественный перепад температур в прослойке прогретой поверхности океана и охлажденных глубинных слоев вод.
Реализуя первое приближение доли преобразуемой энергии можно определить её через КПД термодинамического цикла Карно.
То есть для того чтобы определить реализуемые запасы тепловой энергии Мирового океана требуются сведения по распределению температур в поверхностных слоях океана, а также толще прогретого слоя и глубине залегания слоёв холодных вод, а также скорости по перемещению водных масс.
Первой такой приближенной оценкой, стала оценка, которая была выполнена в 1977 году. Данная оценка базировалась на том, что по Мировому океану, в среднем, разность температур поверхности и глубин на 400 метрах доходит до 12 °С. Только в некоторых районах вблизи экватора разность температур в этом слое достигает 20°С [2, с.176].
Таким образом, предполагая в среднем разность температур в 12°С, которая сохраняется по всей свободной от льда поверхности и имеет площадь в 3·1014 м 2 по слою толщиной 100 м, общую тепловую энергию, которая присутствует в океане на любой момент времени, следует оценить, по формуле:
W = ;vc х p;T (2.2) , в которой,
- ;, есть плотность воды, кг/м 3;
- V, есть объем нагретых вод, м 3;
- p c., есть удельная теплоемкость, Дж/(кг·К).
Предполагая c p = 4,19 кДж/(кг·К), можно сказать, что величина запасенной энергии океана составит W =15 ;10 Дж. [1, с.37].
Более точная оценка потребовала знания уточненной картины по распределению температур. Составленные карты по термопарам (ареалам с приблизительно одинаковым уровнем температур поверхности) Мирового океана, показали, что площадь в зоне постоянного максимального перепада температур не значительна, составляя только 20 млн. км2 акватории [1, с.39].
Цена снижения КПД идеального цикла на 1 % в этой зоне предполагает возможность размещения там тепловых преобразователей с возможность. Роста примерно в 6–7 раз. Постоянство же в перепаде температур при изъятии части энергии может быть обеспечено притоком энергии от перемещения, водных масс, а также за счет поглощения солнечного излучения.
Надо отметить, что установление ресурсов тепловой энергии, которая связана с океаном не будет полной без учёта потенциальных возможностей еще двух температурных перепадов, которые имеют место в приповерхностном слое воздуха и в поверхностном слое воды. Также между придонными водами и теми породами, которыми слагается дно акватории.
Данные ресурсы в настоящее время не оценены, однако в настоящее время ведутся работы в области создания действующих моделей преобразователей, которые используют первый перепад, представляющий огромный интерес для региона Арктики.
Таким образом, механический эквивалент тепловой энергии Мирового океана при учете КПД источника в 6-8%, исходя из расчета на один градус Цельсия перепада температур, равен примерно потенциалу водохранилища, которое имеет высоту в 25 м. [1, с.39].
И это при условии неограниченных запасов воды в нем.
Таким образом, энергетический потенциал 1 кг воды дает 58 кал, или почти 250 Дж., поскольку именно такой потенциал и соответствует потенциальной энергии 1 кг воды, который поднят на высоту 25 м. При том что вода движется к приемнику ее тепла имея скорость V=1 м/с, то при этом энергетическом потенциале плотность тепловой мощности, которая поступает на приемник тепла, дойдет от 270000 до 330000 Вт/м2. [7, с.23]
Сравнивая данную мощность, отметим, что плотность мощности ветра, который приводит в движение ветряки и парусники с оптимальной скоростью ветра в 15 м/с достигнет только 1700 Вт/м2.
Таким образом, эффективное использование энергетического потенциала Мирового океана представлено применением комбинированных источников для применения энергетических ресурсов мирового океана.
ОТЭС на термоэлектрических преобразователях имеет реальные перспективы развития. Так исследования, выполненные учеными из университета Осаки (Япония), показали, что при отсутствии изолятора в данной ОТЭС в несколько раз растет съем полезной мощности. Однако требуется иметь в виду, что опыты японских ученых предполагали в качестве носителя энергии не саму морскую воду, но фторуглеродистые соединения. ОТЭС, которая создана на описанном выше принципе, вероятно, может быть применена при обеспечении электроэнергией комплексов подводной добычи полезных ископаемых на дне океана.
Использованная литература
1.Авдин, В.В. Математическое моделирование экосистем. /В.В. Авдин - Челябинск: ЮУрГУ, 2014 – 130 с.
2.Акимова, Т.А., Кузьмин, A.П., Хаскин, В.В. Экология. Природа - Человек – Техника. Учебник для ВУЗов./ Т.А. Акимова, A.П. Кузьмин, В.В. Хаскин - М.: Юнити-дана, 2018. – 220 с.
3.Василенко, В.А. Экономика и экология: проблемы и поиски путей устойчивого развития. / В.А. Василенко - Новосибирск: 2017 – 280 с.
4.Данилов, М.К. Мировой океан: ресурсы и перспективы. / М.К. Данилов – М.: Гидрометеоиздат – 2016, - 160 с.
5.Коробков В.А. Преобразование энергии океана. / В.А. Коробков - СПб.: Судостроение, 2017. – 120 с.
6.Родионова, И.А. Глобальные проблемы окружающей среды. / И.А. Родионова М.: Наука, 2015 – 180 с.
7.Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ./ Дж. Твайделл, А. Уэйр – М. Энергоатомиз, 2016 – 120 с.
8.Фоминки Л.П. Преобразование тепловой энергии мирового океана. Режим доступа URL: http://allpowr.su/ru/177-preobrazovanie-teplovoj-energii-okeana Обращение 12.05.2017 г.