Энергетические возможности гидросферы Земли

04.05.2021 JeeesAdmin 2020-01 0

Рс.И. Нигматулин[1],[ 0000-0001-5960-9206]

Научный Центр нелинейной волновой механики и технологии РАН, г. Москва, Россия

E-mail: info@jeees.ru

[1]    Вниманию читателей предлагается публикация доклада, посвященная памяти замечательного ученого, доктора технических наук, профессора
Раиса Искандеровича Нигматулина (1946-2014). За годы своей работы он как ученый и педагог реализовался значительными научными достижениями в самых разных областях науки: молекулярной физики, гидроаэромеханики, гидрофизики, возобновляемой энергетики и экологической физики. Научно-исследовательская работа Раиса Искандеровича осуществлялась в Институте машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук где он долгие годы работал заведующим лабораторией. Педагогическая деятельность – профессором в Московском авиационном институте, где он читал лекции по физике, термодинамике, прикладной гидромеханике, теплотехнике. Рс. И. Нигматулин — автор более 80 научных трудов, в том числе десятка монографий и учебников по механике, теплофизике, физической гидродинамике, безопасности энергетических систем в чрезвычайных ситуациях. Настоящий доклад, был им подготовлен, представлен и прочитан на международной конференции «Физические проблемы экологии» в ИПМ РАН, г.Москва, в 2010 году, но не публиковался в материалах конференции. Ссылка на персональную страницу Нигматулина Рс.И на портале Math-Net.Ru: http://www.mathnet.ru/rus/person101434   

Аннотация. В докладе рассматриваются отдельные примеры реализации наиболее распространенных используемых в мире искусственных и естественных способов преобразования энергии гидросферы. Большинство из них было открыто достаточно давно, но до последнего времени практически не применялись на практике для получения энергии из-за сложности реализации и низкой экономической эффективности. В настоящее время эти ограничения постепенно снимаются. Современный уровень развития техники позволяет успешно преодолеть большинство из этих трудностей.

Ключевые слова: гидросфера, возобновляемые источники энергии, водные ресурсы.

1. Введение

Несмотря на значительные достижения в последние десятилетия во многих областях науки, проблемы обеспечения населения Земли достаточным количеством природных и энергетических ресурсов до сих пор в полной мере не решены. Эта проблема приобретает особую актуальность по мере роста дефицита и истощения многих видов традиционных источников природного сырья. Во многих регионах мира возникают энергетические, сырьевые и продовольственные кризисные ситуации. За последние 200 лет глобальное потребление энергии возросло более, чем в 30 раз, и составило 13 ГТонн условного топлива. По крайней мере, к 2050 г. ожидается практически удвоение потребления всех видов энергоресурсов [1]. Сегодня мировое сообщество все больше внимания уделяет развитию и изучению новых возможностей решения этих проблем на основе использования возобновляемых энергоресурсов [2], к которым относятся и ресурсы водной оболочки нашей планеты – гидросферы. Гидросфера Земли является потенциальным источником большинства ресурсов, необходимых для жизнедеятельности и жизнеобеспечения всего человечества и его дальнейшего устойчивого развития. Именно по этой причине так резко повысилось внимание во всех странах к развитию всего комплекса наук о Земле и, едва ли не в первую очередь, изучению энергетических возможностей Мирового океана. Во всех передовых странах ассигнования на развитие этой тематики за последние годы существенно возросли. Также становиться очевидно, что сохранение жизнеобеспечивающей экологической обстановки на нашей планете стало проблемой первостепенного значения, и в решении этой проблемы океаны, моря, реки и озера и др. водные ресурсы играют одну из ведущих ролей. Гидросфера нашей планеты содержит и аккумулирует в себе огромные запасы энергии различных видов. Совокупность водных масс океанов, морей, рек и озер представляет собой до сих пор не раскрытый потенциал физической, химической, тепловой и других, возможно до сих пор не открытых, видов энергии. Раскрыть этот потенциал и найти применение этой практически неисчерпаемой природной энергии воды – главная задача ученых и цель мировой энергетической стратегии [3].

2. Оценка энергетического потенциала гидросферы Земли

По оценкам разных авторов [4], доступная часть энергии Мирового океана (энергетический потенциал гидросферы), т.е. та часть, которая может быть практически использована при современном уровне техники преобразования, почти в два раза превышает уровень современного потребления энергии в мире [5], который определяется цифрой около 0,3 Зетта Джоуль (0,3 1021 Дж) в год (рис.1 и 2). Больше всего в океане тепловой энергии, поскольку океан — гигантский тепловой аккумулятор энергии Солнца. Так, например, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана, по сравнению с донными, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Таким образом, суммарная энергия мирового океана превышает величину 1034 Дж.

Однако в настоящее время используются лишь доли этой энергии, потому, что такая энергетика до сих пор считалась малоперспективной. В то же время, происходящее быстрое истощение запасов ископаемых топлив, использование которых связано с существенным загрязнением окружающей среды (включая тепловое «загрязнение», грозящее глобальными климатическими последствиями), и ограниченность запасов ядерного топлива заставляет уделять все большее внимание поискам возможностей экономически обоснованного использования энергии не только перепадов уровня воды в реках, но и других альтернативных видов энергии гидросферы Земли. В ближайшей перспективе массовое замещение углеводородных энергоносителей на современном уровне технологии возможно за счет строительства новых гидро- и атомных электростанций, а также за счет развития биоэнергетики и ВИЭ. Широкое развитие неуглеводородных видов энергетики рассматривается в дополнительном сценарии МЭА (Международное Энергетическое Агенство), предполагающем активное вмешательство государства в мировую энергетику в случае сохранения стабильно высоких цен на ископаемые энергоносители [6]. Вероятность наступления этого сценария подтверждается и форсайтом потребления энергии до 2050 года по методу Дельфи, проведенным МЭА [6], а также альтернативным сценарием МЭА [7] и ГУ «ИЭС» [8]. Мировой энергобаланс выглядит следующим образом (Рис.3):

Океан содержит в себе множество различных видов энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию, и многие другие, которые необходимо эффективно трансформировать для последующего использования.

Для количественной оценки энергетического потенциала гидросферы [4, 9], как правило, используют обобщенную внесистемную единицу измерения — метр водяного столба (1 метр водяного столба равен гидростатическому давлению столба воды высотой в 1 м при наибольшей плотности воды (то есть при температуре около 4 °C) и ускорении свободного падения g = 9,80665 м/сек²). Эта величина называется плотностью потока и характеризует степень концентрации данного вида энергии. С помощью этого понятия удобно сравнивать между собой различные виды энергии в океане. Например, для теплового градиента (т.е. разности температур между теплым и холодным слоями) 20°С плотность потока составляет 570 м водяного столба, ее напор — как в грандиозном водохранилище, подпертом плотиной высотой более полукилометра. А для градиента 12°С плотность потока равна 210 м. Обе цифры (210 и 570 м) рассчитаны с учетом КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно.

Такую плотность потока в океане имеет еще только энергия градиента солености (осмоса) — 240 м. Другие виды энергии океана имеют значительно меньшие значения плотности потока. Так, для ветровых волн она составляет 1,5 м, а для океанских течений — лишь 0,05 м (Рис.4.).

Основные способы трансформации энергии гидросферы Земли можно условно разделить на два вида: искусственные и естественные (таблица 1.). К искусственным способам трансформации энергии гидросферы относятся способы, связанные с применением различных технических (механических, электрических, и т.п.) устройств преобразования тепловой, кинетической и химической энергии. Данные способы характеризуются определенной степенью сложности их применения и технической реализации. Естественные способы трансформации энергии гидросферы характеризуются, прежде всего, преимущественным использованием природных процессов и материалов, потенциально доступных в качестве первичного ресурса получения энергии.

2.1 Трансформация кинетической энергии океана

Энергия течений Мирового океана по величине близка к энергии, получаемой от сжигания всех видов топлива на Земле в течение года (примерно 1020 Дж). Начаты работы по использованию энергии Гольфстрима, самого мощного течения в Мировом океане. Предполагается использовать около 1 % его энергии. Авторы проекта считают, что эта цифра не должна заметно отразиться на общем балансе энергии течения.

Весьма перспективный вид кинетической энергии Мирового океана — это энергия волн. В океане много видов волн. Однако с точки зрения выработки электрической энергии заслуживают внимания лишь три их типа: приливные волны, ветровые волны и зыбь. Ветровые волны обладают большой разрушительной силой, т. е. несут значительную энергию. Несколько миллионов штормов ежегодно случается в Мировом океане. Было подсчитано, что 1 км2 водной поверхности с волнами высотой около 5 м обладает мощностью около 3 млн. кВт. А штормовая погода может охватить площадь в несколько тысяч квадратных километров. Соответственно, волновая мощность Мирового океана оценивается цифрой около 3 млрд. кВт. Запасы энергии ветровых волн и зыби огромны, по степень разработанности проблемы ее использования пока недостаточна, лишь в последнее десятилетие были сделаны некоторые шаги в деле практического использования энергии ветровых волн и зыби для выработки электрической энергии.

Значительно раньше началось использование энергии приливных волн, отличающихся чёткой регулярностью: два раза в сутки в определенное время появляются приливные волны заранее известной высоты. Эти свойства — строгая периодичность и определенная высота, позволили людям очень рано научиться использовать их энергию: уже в XI в. в Европе строили мельницы, работающие за счет энергии прилива. В наши дни приливные электростанции — самые мощные среди других волновых электростанций, но, к сожалению, их можно построить не на любом участке побережья (и, как правило, не там, где особенно нужна энергия). У нас в стране, например, природа распорядилась так, что самые мощные приливы имеются вдали от индустриальных центров или районов с большим потреблением энергии. В России самые мощные приливы — у берегов Камчатки, где общая энергия приливных волн равна примерно 1019 Дж в год.

Речная гидроэнергетика является наиболее развитой областью возобновляемой энергетики. Она берёт своё начало от водяных колёс и мельниц, использовавшихся человечеством на заре своего развития.

Отличительной особенностью энергоносителя – воды, является то, что его можно использовать многократно, что имеет место в каскадах гидростанций, но притом его физическая природа остаётся неизменной, в отличие от органических видов энергоносителей, которые в результате отдачи энергии изменяют своё физическое состояние, образуя в результате сгорания другие вещества.

Отсутствие процессов нагревания – охлаждения в гидростанциях дает возможность получать высокий КПД преобразования энергии воды в электрическую, зависящий, главным образом, от КПД турбины и генератора, значение которых в лучших образцах превышает 90%.

Следующей особенностью гидростанций является то, что сооружения (плотина, здание ГЭС, водоводы и тд.) и их оборудование используются в течение 50 и более лет. Имеются ГЭС, проработавшие 100 лет. Это означает, что ГЭС, построенные в начальных экономических условиях, многократно окупившись, продолжают производить наиболее дешёвую энергию. Наиболее уязвимыми сторонами мощных ГЭС являются затопление земель, заиливание водохранилищ, цветение воды в них, изменение микроклимата, а также сравнительно высокие удельные капитальные вложения. Стоит отметить тот факт, что «отработавшая» на ГЭС вода может в дальнейшем быть использована для любых других целей, в то время, как топливо, сгоревшее на тепловых станциях, оставляет вредные выбросы в воздух, воду и почву.

2.2 Трансформация тепловой энергии океана

Последние десятилетия характеризуются определенными успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, на Гавайях в 2012 г. созданы установки мини-ОТЕС (OTEC — начальные буквы английских слов Ocean Thermal Energy Conversion, т. е. преобразование тепловой энергии океана — речь идет о преобразовании в электрическую энергию). Установка мини-ОТЕС смогла отдать в электрическую сеть 12—15 кВт, а на собственные нужды потребила около 35 кВт. Опыт, полученный при опытной эксплуатации установок мини-ОТЕС, позволил приступить к проектированию тепловых океанских станций на сотни мегаватт. Сейчас разработки новой ОТЭС при финансовой поддержке правительства США ($600 тыс.) ведет компания Lockheed Martin.

2.3 Трансформация энергии солености

Запасы энергии градиента солености, или осмоса (греч. «толчок», «давление»), по некоторым оценкам, не уступают тепловой энергии океана. Осмотические электростанции наиболее актуальны в устьях больших рек, а около них, как правило, располагаются крупные города. Считается, что подобные станции наиболее перспективными для северных стран, таких как Россия, Канада и государства Скандинавии, при этом не стоит исключать самые южные части Африки и Америки. Глобальный потенциал «осмотической энергии» эксперты оценивают примерно в 1600-1700 ТВт·ч в год, что эквивалентно половине производимой в Европейском союзе электроэнергии.

2.4 Трансформация химической энергии воды

Один из наиболее перспективных способов использования химической энергии молекул воды – электролиз. Через воду пропускается электрический ток, в результате чего происходит химический распад. Освобождаются водород и кислород, а жидкость исчезает.

Имеются в Мировом океане и другие химические источники энергии. Например, обсуждался вопрос об использовании сероводорода — горючего газа с неплохой калорийностью. Сероводородом очень богато Чёрное море, и к тому же его количество там непрерывно возрастает. Есть сероводород и в других районах Мирового океана — общие запасы его очень велики (недостаток этого вида топлива — неприятный запах, но, возможно, будет найден способ его устранения).

2.5 Трансформация энергии биоты океана

Важнейшим энергетическим ресурсом океана является биота (совокупность видов растений, животных и микроорганизмов, обитающих в мировом океане), так как дает 10 % мирового потребления первичной энергии (по оценке Комиссии по экономии энергии и энергоресурсов Мировой энергетической конференции (МИРЭК)). Ожидается, что она будет играть такую же важную роль в будущем обеспечении энергией при выработке технологического тепла и производства синтетических топлив. Синтетическое топливо из биомассы биоты можно сжигать на электростанциях, использовать на транспорте или в промышленности. Рассматривается возможность создания водорослевых энергетических плантаций, для создания которых в океане имеются очень широкие возможности, как на поверхности воды, та и на дне.

По некоторым оптимистическим оценкам [8], углеводородное топливо из водорослей может производиться по цене, меньшей мировой рыночной цены на него, при создании в океане обширных плантация для их культивирования.

Более трети поверхности Мирового океана (130 млн. км2) имеет дно, грунт которого пригоден для выращивания быстрорастущих водорослей, из которых можно легко получить горючие газы метан и этан, широко используемые для самых разных целей. В настоящее время обращено внимание на выращивание бурой водоросли — весьма урожайной культуры (от 600 до 1000 т с гектара в сыром весе). Бурая водоросль не имеет корней, поэтому для нее не очень важен состав грунта. Растет она в толще морской воды, но в воде достаточно богатой питательными солями и в присутствии солнечного излучения.

2.6 Трансформация энергии синтеза биомассы океана

Водоросли (прежде всего, сине-зеленые) стали первыми организмами, у которых появилась в процессе эволюции способность осуществлять фотосинтез с использованием воды в качестве источника водорода и выделением свободного кислорода. Этот механизм преобразования солнечной энергии в биомассу унаследован и многоклеточными растениями. Таким образом, фотосинтез является основным источником первичной биологической энергии. Таким образом, можно сказать, что энергия, преобразуемая в тепло при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф) также является запасённой в процессе фотосинтеза.

Некоторые бактерии используют способ питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ из CO2 служат реакции окисления неорганических соединений. Подобный вариант получения энергии используется, известен, как хемосинтез. В ходе осуществляемых этими морскими бактериями химических реакций выделяется много энергии, заменяющей в глубинах энергию лучей Солнца, а также образуется органическое вещество, из которого состоят их тела.

2.7 Трансформация энергии сырьевых ресурсов океана

Мировой океан богат минерально-сырьевыми ресурсами, которые добываются с его дна. Наибольшее значение имеет нефть и газ, которые добывают с континентального шельфа. Они составляют по стоимости 90% всех ресурсов, получаемых сегодня с морского дна. Морская добыча нефти в общем объеме составляет приблизительно 1/3. Еще одним богатством глубоководного ложа океана являются железомарганцевые конкреции, содержащие до 30 разных металлов. Они были обнаружены на дне Мирового океана еще в 70-х годах XIX века. Наибольший объем железомарганцевые конкреции занимают в Тихом океане (16 млн. км2). Первый опыт добычи конкреций предприняли США в районе Гавайских островов.

Перспективным источником газа в ближайшие 20 лет может стать разработка океанских месторождений газовых гидратов. По некоторым оценкам, мировые запасы метана в газогидратах могут на несколько порядков превышать ресурсы всех разведанных на сегодня других горючих ископаемых.

2.8 Трансформация энергии гидротерм

Гидротермальные источники срединно-океанических хребтов (сокр. гидротермы) выбрасывают в океаны, под давлением в 250 атм., высокоминерализованную горячую воду. На дне вокруг гидротерм обнаружены в больших количествах отложения окислов марганца и железа. Кроме того, потребляя различные неорганические вещества, в изобилии имеющиеся в гидротермах, живущие там бактерии производят многочисленные органические соединения в процессе хемосинтеза. Ими питаются все животные экологических оазисов (которые возникают в теплых водах вокруг гидротерм).

3. Заключение

Выше мы рассмотрели отдельные примеры реализации используемых в мире наиболее распространенных искусственных и естественных способов преобразования энергии гидросферы. Большинство из них было открыто достаточно давно, но до последнего времени практически не применялось на практике для получения энергии из-за сложности реализации и низкой экономической эффективности. Но эти ограничения постепенно снимаются, т.к. уже сейчас современный уровень развития техники позволяет успешно преодолеть большинство из этих трудностей.

Литература

  1. Энергия-Вода-Эволюция // Под общ. Ред. В.В. Бушуева, М.: ИАЦ «Энергия», 2008. 140 с.
  2. В.Путин. Энергетическая безопасность: Дорога в будущее [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://civilg8.ru/884.php (дата обращения 3.08.2010).
  3. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года  // Прил. к обществ.-дел. журн. «Энергетическая политика». – М.: ГУ ИЭС, 2010. – 184 с.
  4. Вертинский Н.В. Энергия океана М: Наука  с. 152 1986.
  5. Википедия [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://en.wikipedia.org/wiki/World_energy_resources_and_consumption (дата обращения 3.08.2010).
  6. Deciding The Future: Energy Policy Scenarios to 2050. World Energy Council, 2007.
  7. Alternative Policy Scenario, IEA World Energy Outlook, 2006.
  8. Институт Энергетической Стратегии [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.energystrategy.ru/editions/EP.htm (дата обращения 3.08.2010).
  9. Википедия [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Метр_водяного_столба (дата обращения 3.08.2010).
  10. Амерханов Р.А. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии. — М.: КолосС, 2003. — 532 с
  11. Данилов-Данильян В.И. Водные ресурсы мира и перспективы водохозяйственного комплекса России. — М.: ООО «Типография ЛЕВКО », Институт устойчивого развития/Центр экологической политики России, 2009. — 88 с.
  12. Шапарев Н. Я. Астафьев Н.Н. Водные ресурсы Красноярского края в показателях устойчивого развития Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 780 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/080.pdf

References

1. Energy-Water-Evolution // Under the general. Ed. V.V. Bushueva, Moscow: IAC «Energy», 2008.140 s.
2. V. Putin. Energy Security: The Road to the Future [Electronic resource] .- Access mode: http://civilg8.ru/884.php (accessed August 3, 2010).
3. The energy strategy of Russia for the period until 2030 // App. to society. journal «Energy policy.» — M .: GU IES, 2010 .— 184 p.
4. Vertinsky N.V. Ocean Energy M: Science p. 152 1986.
5. Wikipedia [Electronic resource] .- Access mode: http://en.wikipedia.org/wiki/World_energy_resources_and_consumption (accessed August 3, 2010).
6. Deciding The Future: Energy Policy Scenarios to 2050. World Energy Council, 2007.
7. Alternative Policy Scenario, IEA World Energy Outlook, 2006.
8. Institute of Energy Strategy [Electronic resource] .- Access mode: http://www.energystrategy.ru/editions/EP.htm (accessed August 3, 2010).
9. Wikipedia [Electronic resource] .- Access mode: http://ru.wikipedia.org/wiki/Meter_water_post (accessed 3.08.2010).
10. Amerkhanov R.A. Optimization of agricultural energy plants using renewable energy. — M.: KolosS, 2003 .— 532 s.
11. Danilov-Danilyan V.I. Water resources of the world and prospects of the water-economic complex of Russia. — M .: LLC Printing House LEVKO, Institute for Sustainable Development / Center for Environmental Policy of Russia, 2009. — 88 p.
12. Shaparev N. Ya. Astafiev N.N. Water Resources of the Krasnoyarsk Territory in Sustainability Indicators Electronic Scientific Journal “RESEARCHED IN RUSSIA” 780 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/080.pdf