Реферат: Океан как источник энергии
Первая в мире осмотическая электростанция (фото Statkraft)
Глобальный потенциал "осмотической энергии" компания оценивает примерно в 1600-1700 ТВт•ч в год, что эквивалентно половине производимой в Европейском союзе электроэнергии.
Экология
Электростанции, использующие ресурсы океана, на первый взгляд кажутся весьма экологичными. Но за потреблением океанической энергии кроется несколько опасных моментов.
С одной стороны, работа станций сопровождается охлаждением поверхности океана, что на фоне глобального потепления имеет явно положительную тенденцию. "Если рассматривать влияние перемещения больших объемов тепловой энергии с верхнего слоя на глубину порядка 600 м, то можно предположить, что охлаждение поверхности океана в тропиках на 1-4 градуса скорей всего положительно скажется на климате и будет способствовать борьбе с ураганами, - считает Станислав Понятовский. - При сопутствующем сбросе тепловой энергии в нижний слой она бесследно растворится в многокилометровом бассейне холодной воды без каких либо последствий".
С другой стороны, встает вопрос: сколько можно взять энергии из океана без вреда для окружающей среды? Ответили на него профессора Виктор Акуличев, директор Тихоокеанского океанологического института (г. Владивосток), и его коллега Альберт Ильин. В качестве критерия они приняли допустимое понижение температуры поверхности океана на 0,5К (такая цифра близка к естественным флуктуациям средней температуры). Тогда максимально допустимая мощность, которую можно снять в тропической зоне мирового океана, составит 11 млрд. кВт. При непрерывной работе тепловых преобразователей за год такой мощностью будет выработано 0,96-105 млрд. кВт•ч, что составляет примерно треть от потребления энергии, прогнозируемого на 2020 г.
Негативные экологические последствия работы тепловых станций по схеме с подъемом воды заключаются в выделении в атмосферу растворенных газов. Глубинные холодные воды содержат внушительное количество углекислого газа, который выделяется при подъеме глубинных вод на поверхность из-за снижения давления и повышения температуры.
Загрязнение окружающей среды может произойти и в случае утечки рабочих жидкостей, т.е. аммиака, фреона или ядовитых веществ, необходимых для промывки теплообменников - например, хлора.
Считая от поверхности, температура воды с увеличением глубины слабо меняется до определенного уровня. На некоторой глубине температура резко уменьшается – это начало так называемого слоя скачка. Одновременно со скачком температуры наблюдается и скачок плотности морской воды. Благодаря высокому градиенту плотности слой скачка выполняет своеобразную роль "жидкого грунта", играя исключительную роль в физике и биологии океана. Без затраты мускульной энергии многочисленные обитатели океана могут долго оставаться в слое скачка во взвешенном состоянии. Важно, чтобы мощные водяные потоки ОТЭС не разрушили слой скачка. Возможно, для этого придется далеко разносить места сброса отработанных вод и забора теплой воды.
Однако время углеводородной энергетики проходит, и будущее за альтернативными источниками, возобновляемыми и более экологичными. Энергетические объекты в многочисленных вариантах исполнения уже воплощаются в жизнь на огромной акватории океана.
Энергия с дна океана.
В массовом сознании альтернативными энергоносителями являются исключительно возобновляемые источники энергии – Солнце, ветер, биомасса, морской прибой и тому подобные. Есть, однако, и ещё один весьма перспективный, хоть и не возобновляемый энергоноситель: метан с морского дна. Многие о его существовании и не догадываются, что, в общем-то, простительно: ведь ещё совсем недавно об этом не знали и учёные. Между тем, на морском дне хранятся огромные запасы метана! Правда, он находится там в связанном виде – в форме твёрдых гидратов.
Образование гидратов метана, то есть его соединений с водой, происходит под воздействием высокого давления и низкой температуры – при условиях, вполне типичных для океанских глубин. Там, где океаническая плита, сдвигаясь, уходит под континентальную, возникают зоны мощнейшего сжатия. Они-то и выдавливают наружу метан, образующийся в толще органических отложений. Одна из таких тектонических зон находится у западного побережья Северной Америки.
Экспедиция, отправившаяся туда на поиски гидрата метана, действительно его нашла, однако главной сенсацией стало то, что огромные его залежи были обнаружены непосредственно на поверхности морского дна. Профессор Юрген Минерт, научный сотрудник немецкого Исследовательского центра "Geomar" со штаб-квартирой в Киле, говорит: "Мы имеем основания считать, что газовая смесь, заключённая в этой породе, на 98...99 процентов состоит из метана. Когда проба грунта с морского дна поднимается на борт, газ тут же начинает улетучиваться.
Чёрные пятна свидетельствуют о повышенном содержании углерода в осадочных отложениях. Иначе говоря, метан, обнаруженный на морском дне, является продуктом разложения органической материи, результатом отмирания живых организмов, то есть имеет биогенное, а не термогенное происхождение".
Образцы газогидрата, добытые у побережья США, с тех пор бережно сохраняются в специальных резервуарах-холодильниках и изучаются – например, в Институте полярных и морских исследований имени Альфреда Вегенера в Бремерхафене. Здесь расположена одна из немногочисленных лабораторий, в которых созданы условия, обеспечивающие сохранность газогидрата в первозданном виде. То есть в помещении поддерживается температура –27ºC, так что исследователи вынуждены работать в специальных комбинезонах и тёплых перчатках.
Поднятые со дна моря куски газогидрата внешне напоминают вывалянные в грязи куски льда. Собственно, это и есть лёд с высоким содержанием метана. Образцы нарезают на тончайшие пластинки, каждый срез фотографируют, и только после этого гидрат подвергают химическому анализу. Йенс Грайнерт, сотрудник Исследовательского центра "Geomar", поясняет: "По большей части, это метан. На 98% метан, но и остальное – это может быть сероводород, углекислый газ, – нас очень интересует, поскольку от примесей во многом зависит, при каких условиях гидрат стабилен, а при каких – нет. Зная это, можно браться за исследование вопроса, когда и как гидраты метана образуются, когда и как распадаются".
Немалый интерес к работам геофизиков проявляют и климатологи. В их глазах метан – не столько ценный энергоноситель, сколько один из главных виновников глобального потепления.
"Метан, как известно, третий по значимости парниковый газ. Принято считать, что важным источником метана являются океаны и – особенно – периферийные моря. Но зачастую учёные не могут даже качественно оценить, выделяет ли море метан в атмосферу или же, напротив, связывает атмосферный метан, образуя гидраты. А уж о количественной оценке этих процессов сегодня и говорить не приходится.
Между тем, это очень важный вопрос. И мы надеемся, что наши новые приборы помогут найти на него ответ, – говорит Клаус Вайткамп, сотрудник Исследовательского центра "GKSS" в Геестхахте, специализирующегося на создании высокочувствительных газовых сенсоров. Но каковы же запасы метана в газогидратах? Могут ли они оказать существенное влияние на климат – например, если в результате глобального потепления залегающие на дне под толщей воды гидраты начнут распадаться на составные компоненты, и весь метан уйдёт в атмосферу?"
Сотрудник Исследовательского центра "Geomar" Герхард Борман говорит: "Существуют оценки, согласно которым около 50% всего имеющегося на Земле углерода заключено в этих гидратах. Вы только представьте себе, мы столько говорили о содержании углекислого газа в атмосфере, о круговороте углерода в природе, и до сих пор не учитывали столь важное слагаемое этого процесса! Впрочем, все расчёты, которыми мы пользуемся, носят весьма приблизительный характер.
Прогнозируя, где и в каком количестве могут быть обнаружены подводные газогидратные поля, мы исходим из сейсмических наблюдений и геофизических исследований. Но чтобы повысить достоверность прогнозов, необходимо произвести пробные бурения и замеры в тех районах океана, где предсказано наличие гидратов метана, и проанализировать полученные результаты. Пока мы лишь в самом начале пути, но думаю, что исследование газогидратов станет ключевой темой на ближайшие годы, а возможно, и десятилетия".
Поиски гидратов метана ведутся в самых различных районах мирового океана и с привлечением самой современной специальной техники. Примечательно, что при этом геофизики не жалеют сил на изучение придонной флоры и фауны. Дело в том, что обитатели морского дна могут служить своего рода индикаторами, указывающими на наличие в недрах месторождения газогидрата.
Сотрудник Исследовательского центра "Geomar" биолог Петер Линке рассказывает: "Между известковыми глыбами, возникшими на дне в результате геохимических и тектонических процессов, происходит истечение метаносодержащих жидкостей, которые являются основой для существования определённого вида моллюсков. Наличие этих моллюсков и является для нас верным признаком, что тут из недр выделяется метан. Конечно, моллюски не могут питаться метаном как таковым – он для них так же ядовит, как и для человека. Здесь мы имеет дело с типичным примером симбиоза: метаносодержащая жидкость усваивается особыми бактериями, живущими в мантии моллюсков. А сами моллюски питаются отходами жизнедеятельности этих бактерий, что и позволяет им существовать на такой глубине, куда солнечный свет практически не проникает.
Естественно, моллюски стремятся поселиться как можно ближе к источнику продовольствия, то есть к тем трещинам и щелям в известковых отложениях, из которых и происходит истечение метаносодержащих жидкостей. В свою очередь, эти моллюски служат пищей для некоторых других видов морской фауны. То есть те места, в которых, по нашим оценкам, существуют условия для образования газогидратов, являются своего рода оазисами в пустыне морских глубин".
Моллюски, извлечённые со дна моря во время экспедиции к побережью США, подверглись, разумеется, самому пристальному исследованию. Их препарировали, затем из тканей раковины и мантии учёные выделили углерод, связав его в углекислый газ, и проанализировали с помощью масспектрометра. Высокое содержание изотопа углерода С12 позволило сделать вывод о том, что моллюски действительно питались за счёт жидкостей, омывающих газогидратные месторождения.
А вот найти этих самых моллюсков оказалось непросто: многочисленные пробы грунта со дна моря в тех местах, где – исходя из геофизических соображений – предполагались месторождения газогидратов, долгое время не давали положительного результата. Почему?
"Либо недостаточно настойчиво искали, либо источники метана, которые некогда давали пищу и служили основой существования этих моллюсков, сегодня обеднели или вовсе иссякли. Для моллюсков это катастрофа, они вымирают. Для нас же это свидетельство того, что источники бедны или пусты. Если мы обнаруживаем большую колонию живых моллюсков, это даёт нам основания полагать, что здесь имеются значительные источники метана.