Oceanul ocupă mai mult de 70% din suprafața Pământului. Ca cel mai mare acumulator de energie solară, oceanele acumulează energia termică a "discului de aur" și produc energie mecanică grație undelor și valurilor. Deși Soarele afectează cel mai direct procesele care apar în ocean, mareele sunt cauzate de câmpul gravitațional al Lunii, iar undele se formează sub influența vântului.
Transformarea energiei termice a oceanului
Sub transformarea energiei termice a oceanului sau a tehnologiei OTES (din conversia în engleză a oceanermalenergy) se înțelege utilizarea căldurii apelor oceanice pentru producerea de energie electrică.
Această tehnologie este cea mai eficientă atunci când gradientul de temperatură - adică diferența dintre temperaturile superioare, stratul cald și stratul rece de adâncime - este de aproximativ 20 ° C. Astfel de condiții sunt observate în zonele de coastă tropicale - între tropicul Capricornului și Tropicul de Cancer. Pentru a ridica cantitatea de apă rece la suprafață, convertoarele de energie termică folosesc țevi mari de intrare cu diametru scump, care sunt scufundate la o adâncime de aproximativ o jumătate de kilometru.
Unii experți consideră că, dacă tehnologia de conversie a energiei termice a oceanului ar fi mai puțin costisitoare, ar putea concura cu metodele tradiționale și ar produce miliarde de wați de energie electrică.
Tehnologia de transformare a energiei gradientului de temperatură a apei de mare a fost cunoscută de foarte mult timp. Pentru prima dată, energia termică a oceanului a propus folosirea fizicianului francez Jacques Arsen D'Arsonval în 1881. Cu toate acestea, prima instalatie de producere a electricitatii din ocean a fost proiectata de studentul sau, Georges Claude. A construit un sistem de 22 kW în Cuba echipat cu o turbină cu presiune joasă.
În 1935, Claude a instalat un alt convertor la bordul unei nave de marfă de 10 tone, acostată în largul coastei Braziliei. Cu toate acestea, condițiile meteorologice și valurile au distrus ambele instalații înainte de a ajunge la o capacitate utilă (adică înainte ca volumele de energie produsă să depășească energia utilizată pentru întreținerea sistemului).
În 1956, oamenii de știință francezi au proiectat o centrală de 3 MW în orașul Abidjan, capitala Cote d'Ivoire (Africa de Vest). Cu toate acestea, nu a fost niciodată construită, deoarece a necesitat prea multe cheltuieli financiare.
În curând, cercetările s-au alăturat și Statelor Unite ale Americii; în 1979, a fost înființat Laboratorul de energie naturală din Hawaii, care a devenit mai târziu unul dintre cele mai mari centre științifice implicate în studierea posibilităților de obținere a electricității din adâncurile oceanului.
Tehnologii de conversie a gradientului de temperatură a apei de mare
Există trei tehnologii principale pentru conversia energiei termice a oceanului: un ciclu închis, un ciclu deschis și unul combinat.
Sisteme cu buclă închisă
În sistemele cu buclă închisă, lichidele cu puncte de fierbere scăzute, de exemplu amoniacul, sunt utilizate pentru a acționa turbinele. Apa de suprafață caldă este pompată prin schimbătorul de căldură și transformă substanța de lucru în abur de înaltă presiune. Extinderea, aburul rotește lamelele turbinei, care sunt conectate la generatoare. În plus, apa rece din adâncurile oceanului, pompată prin cel de-al doilea schimbător de căldură, conduce la condensarea aburului, care este din nou alimentată la vaporizator pentru încălzire.
În sistemele cu ciclu deschis, apa caldă de suprafață a oceanului, alimentată la vaporizator printr-un de-aerator, care îl eliberează de gazele dizolvate în el, este, de asemenea, utilizată pentru a genera energie electrică. Intrând într-un recipient cu presiune scăzută, apa începe să fiarbă. Expansiunea cu aburi conduce o turbină de joasă presiune conectată la un generator electric. Aburul, care nu conține săruri, se condensează înapoi în apă proaspătă practic pură, sub influența temperaturilor scăzute ale apelor adânci ale oceanelor.
În 1984, specialiștii Institutului de Cercetare a Energiei Solare (Laboratorul Național de Studiu al Resurselor de Energie Regenerabilă) au dezvoltat un evaporator cu o conductă verticală pentru a transforma apa caldă în abur redus. Eficiența conversiei energiei a atins 97% în unele cazuri. În mai 1973, în punctul cel mai vestic al insulei Hawaii - Kihole Point - a fost construită o instalație cu ciclu deschis, care a produs aproximativ 50.000 de wați de energie electrică în timpul funcționării.
Convertoarele combinate de energie termică a oceanului au proprietățile sistemelor de cicluri deschise și închise. În instalațiile combinate, apa de mare caldă intră într-o cameră de vid unde este transformată în abur, care este similar cu un sistem de evaporare cu ciclu deschis. Aburul încălzește un lichid cu un punct de fierbere scăzut, care în starea gazoasă acționează lamelele turbinei (ca într-un sistem cu ciclu închis).
Utilizări alternative
Tehnologia de transformare a gradientului de temperatură a apei de mare poate fi utilizată nu numai pentru producerea de energie. Astfel, apa reziduală din condensator poate răci apa din schimbătorul de căldură sau poate intra direct în sistemul de răcire. Un astfel de mecanism simplu de câțiva ani asigură aer condiționat în clădirile Laboratorului Hawaiian de Energie Naturală.
În plus, tehnologia OTES este folosită și în agricultură pentru răcirea solului. Când apa rece trece printr-o conductă subterană, aceasta reduce temperatura solului înconjurător. Diferența de temperatură a rădăcinilor și a frunzelor permite multor plante, adaptate inițial la un climat temperat, să se stabilească în regiunea subtropicală. La laboratorul din Hawaii există o mică seră experimentală, în care sunt cultivate mai mult de 100 de soiuri de legume și fructe, care nu sunt caracteristice climatului din Hawaii.
Acvacultura - tehnologia reproducerii și a organismelor acvatice în creștere - este de asemenea un domeniu popular de aplicare a tehnologiei OTES. Pestele de apă rece și crustacee - de exemplu, somonul și homari - se simt excelent în apă bogată în nutrienți din adâncurile oceanului. Microalge (de exemplu, spirulina - un aditiv alimentar popular) pot fi, de asemenea, cultivate în apă de mare adâncă.
În cele din urmă, un alt avantaj al convertoarelor de gradient de apă termală este capacitatea lor de a desaliniza apa sărată. Teoretic, o instalație de 2 MW poate produce aproximativ 4.300 metri cubi de apă dulce în fiecare zi.
Factori de mediu și economici
În general, alegerea corectă a amplasamentului pentru instalarea OETP este garantul unui impact minim asupra mediului. Oamenii de știință cred că o distribuție uniformă a traductoarelor în zona oceanelor tropicale poate elimina practic toate posibilele efecte negative ale schimbărilor în temperatura apei și a vieții marine.
Dezvoltarea ulterioară a tehnologiei pentru conversia energiei termice a oceanului necesită investiții semnificative de capital. Cercetătorii se tem că reprezentanții sectorului privat vor începe să investească în acest domeniu numai atunci când costul combustibililor fosili sare sau când statul creează stimulentele necesare. Un alt obstacol în calea introducerii tehnologice a tehnologiei este că, în tropice, există doar câteva sute de locuri unde se pot construi stații profitabile ale OTES.
Energia mareelor a fost folosită de omenire încă din primele momente. În zonele de coastă, marea de două ori pe zi atinge un punct înalt al malului (mareea) și un punct scăzut (ebb). Pentru a transforma energia fluxurilor de apă în energie electrică, este necesar ca amplitudinea oscilațiilor de maree să fie de cel puțin 5 metri. Cu toate acestea, există maximum 40 de locuri pe Pământ, unde diferența dintre fluxul de apă și curentul de acumulare ajunge la acest punct. În mod deosebit favorabile pentru construirea de centrale electrice cu efect de maree sunt Pacificul Nord-Vest și Atlanticul de Nord-Est.
Metode de utilizare a energiei mareelor
Principalele mijloace de conversie a energiei mareelor includ barajele și barajele, gardurile de maree și turbinele de maree.
Barajele sau barajele sunt folosite pentru a genera energie electrică prin direcționarea curenților de maree prin turbinele generatoarelor de energie. Barajul împarte regiunea mareelor în bazinele superioare și inferioare. În cazul în care sunt instalate încuietori și turbine. Când diferența dintre nivelul apei de pe ambele părți ale barajului atinge marcajul necesar, porțile sunt deschise. Apa cade pe lamele de turbină, care încep să se rotească și generatoare de energie care produc electricitate.
Tigla de maree arata ca o serie de turnichete uriașe. Se pot extinde la distanță între două insule mici sau în strâmtori care separă insula de continent. Turnsticele se rotesc datorita curentilor de maree caracteristice zonelor de coasta. Viteza curentului poate ajunge la 5-8 noduri (6-9 mile pe oră) - în acest caz, turbogeneratoarele produc mult mai multă energie decât vântul la o viteză mai mare, deoarece densitatea lichidului este mai mare decât aerul.
Turbinele cu tidal sunt similare în multe privințe cu turbinele eoliene. Acestea sunt instalate într-un rând sub apă, la o adâncime de 20-30 metri. Cel mai eficient, turbinele funcționează atunci când viteza curentă atinge 3,6-4,9 noduri maritime (4-5,5 mile pe oră). La această viteză, turbinele de maree cu un diametru de aproximativ 15 metri produc atât de multă energie ca o turbină eoliană care generează 60 de metri în diametru.
Centralele electrice cu căldură care blochează gurile râurilor pot perturba căile de migrație ale peștilor marini, iar praful care se acumulează în zona de amplasare a barajelor poate afecta negativ ecosistemul local. Garda de maree reprezintă, de asemenea, un pericol pentru libera circulație a vieții marine. Dintre toate unitățile hidraulice utilizate în proiectarea stațiilor de maree, turbinele moderne sunt considerate cele mai sigure, care nu blochează căile de migrație ale faunei marine.
Costul exploatării centralelor electrice cu flux mare este scăzut, însă construcția lor necesită costuri semnificative, ceea ce duce la o creștere a perioadei de returnare. În consecință, costul energiei electrice produse de PES este semnificativ mai mare decât energia electrică produsă de combustibilii fosili.
Activitatea centralelor de energie cu valuri se bazează pe transformarea energiei produse de forța de șoc a undelor de suprafață sau oscilațiilor de presiune în adâncurile oceanului. Specialiștii în domeniul surselor regenerabile de energie cred că undele oceanice pot produce până la 2 terawatți de energie electrică.
Cu toate acestea, departe de pretutindeni, energia valurilor poate fi utilizată eficient. Coasta de vest a Scoției, Africa de Sud, Australia, precum și coastele nord-estice și nord-vaste ale Statelor Unite sunt considerate a fi cele mai potrivite pentru construirea de centrale electrice cu valuri. Potrivit experților, în Pacificul de Nord-Vest pot obține 40-70 kW pe 1 metru de coastă.
Tehnologia de conversie a energiei pe val
Energia în valuri poate fi transformată în energie electrică folosind sisteme offshore (situate în largul mării) și sisteme de coastă.
Sistemele offshore sunt situate în largul mării, la o adâncime mai mare de 40 de metri. Dispozitivele high-tech - cum ar fi, de exemplu, "Salter Duck" - utilizează forța de șoc a valurilor pentru a produce energie electrică. În convertoarele de energie de undă sunt utilizate conducte flexibile conectate la plutitoare pe suprafața mării. Ridicând și coborând, plutitorii strânge și compresează alternativ conductele, creând astfel o diferență de presiune care determină rotirea turbinelor.
Instalate de-a lungul liniei de coastă, sistemele de energie costieră transformă energia surfului. Cele mai utilizate mașini de undă sunt:
Instalarea numită "coloană de apă oscilantă" (sau "coloană") este o cameră uriașă din oțel sau beton, partea inferioară a cărei deschidere este scufundată. Interiorul coloanei conține aer deasupra coloanei de apă. Valurile, care intră în structură, determină creșterea și căderea nivelului apei și, prin urmare, comprimarea și extinderea aerului. Aerul iese prin turbinele atașate la generator și se întoarce înapoi când presiunea scade.
Pentru instalarea canalelor în formă de pană, este necesar un rezervor, situat în apropierea țărmului, la o altitudine - chiar deasupra nivelului mării. Este condusă de un canal conic: partea sa largă este în ocean, îngustă - la rezervor. Pe măsură ce canalul se îngustează, valurile care intră în el sunt crescute în înălțime și cad în seif. Apa trece prin turbina generatorului care produce energie electrică.
Dispozitiv de undă pendul
Dispozitivul val de pendul este o cutie dreptunghiulară mare, al cărei capăt este deschis la apă. Din partea deschisă există un amortizor, care se rotește înainte și înapoi sub influența undelor. Deplasarea acestui amortizor acționează o pompă hidraulică conectată la generator. Dispozitivele pendul sunt acum în stadiul de testare.
Ca și în cazul convertoarelor de energie termică din ocean, alegerea corectă a amplasamentului centralei de undă este cheia pentru un impact minim asupra mediului. Instalațiile cu energie în valuri nu ar trebui să strică peisajele pitorești ale litoralului sau să modifice modurile de mișcare a maselor oceanice de jos.
Din punct de vedere economic, este dificil pentru centralele cu valuri să concureze cu sursele tradiționale de energie. Cu toate acestea, costul conversiei energiei valurilor scade treptat. Unii oameni de știință europeni prevăd că, în viitor, producția de centrale cu valuri va deveni o activitate profitabilă. Sistemele funcționale de conversie a energiei la valuri nu necesită costuri mari pentru funcționare și întreținere, deoarece combustibilul (apa de mare) pe care o exploatează este absolut liber.