Водна або гідроенергія

Мета: Вивчення технології отримання електроенергії за допомогою води та створення мережі потужностей з виробництва електроенергії, основаних на даній технології.

 

Координатор: Олег Савицький

 

Опис: Отримання відновлювальної енергії, основаної на воді, зокрема, відбувається з двох великих джерел: самого океану та водних потоків річного типу, які використовують силу гравітації водоспадів або проточної води, зазвичай у віддалених від моря річках. Останні, здебільшого, на практиці називають гідроелектричними і, як зазначалося раніше, вони на теперішній момент складають велику частину від наявної інфраструктури відновлювальних джерел енергії.

З іншого боку, величезний потенціал океану досі не використовувався навіть в межах найменшої частки своєї продуктивності. Можна без натяжок припустити, що при розумному зборі енергії як з різних механічних течій океанських вод, так і за допомогою використання різниць тепла, що є відомим як енергія температурного градієнта морської води (ЕТГМВ), одна лише потужність вод океану могла би також живити енергією весь світ. Беручи до уваги нинішній рівень використання гідроелектричної енергії (дамби), описаний раніше, цей розділ, проте, фокусуватиметься на потенціалі океану.

Найбільш промовисті потенційні можливості моря зараз проявляються у хвилях, приливах, океанських течіях, океанських термальних джерелах та осмотичній енергії. Хвилі першочергово спричинені вітрами; приливи – гравітаційним тяжінням Місяця; океанські течії – обертанням Землі; океанські термальні джерела є результатом дії сонячного тепла, абсорбованого поверхнею океанів; осмотична енергія є продуктом різниці у концентрації солей при зустрічі свіжої води із солоною водою.

Хвиля:

Було визначено, що світовий потенціал енергетичної корисності хвиль становить близько 3 ТВт або близько 26 280 ТВт-год/рік при постійному видобутку. Це майже 20% поточного світового споживання. Такий обсяг енергії було встановлено, аналізуючи глибоководні регіони далеко від континентального узбережжя. Теоретична оцінка потужності оцінюється в 3,7 ТВт, де кінцева чиста цифра була скорочена приблизно на 20% для того, щоб компенсувати різноманітну неефективність (наприклад, льодовий покрив), пов’язану з певним регіоном. Виробіток енергії переважно визначається висотою, протяжністю й швидкістю хвилі та густиною води.

Нині застосування хвильових ферм або будівництво заводів із збирання енергії хвиль далеко від берега зіштовхнулося з обмеженнями в плані масштабності використання, то ж лише близько шести країн зрідка застосовують цю технологію. Найбільш сприятливі місця для розміщення таких станцій – західне узбережжя Європи, північне узбережжя Великобританії, тихоокеанське узбережжя Північної та Південної Америки, узбережжя Південної Африки, Австралії та Нової Зеландії.

Припливи та відпливи:

Приливи та відпливи мають дві підформи: діапазон та потік. Діапазон приливу – це, по суті, «підняття і опускання» областей океану. Потік приливу – це течії, створені періодичним рухом припливів та відпливів, які часто посилюються завдяки формі морського дна.

Різні області Землі мають велику різницю в діапазонах. У Великобританії, в області з високою активністю припливів і відпливів, було помічено десятки доступних місць, при застосуванні припливно-відпливної енергії яких, як прогнозується, можна було б забезпечити 34% всього споживання енергії країни. Давніші дослідження показали, що продуктивність приливно-відпливної енергетики на глобальному рівні складає 1800 ТВт-год/рік. Свіжі дослідження показали теоретичну продуктивність (як діапазону так і потоку) в 3 ТВт, за умови лише часткового їх використання.

Тоді, як припливи та відпливи є достатньо передбачуваними, вони також підлягають щоденним періодам перемінності, базуючись на чергуванні припливів та відпливів. Припускаючи, що маючи основу лише на цій прогресивній технології можна зібрати 1,5 ТВт на рік, це означає що близько 7% всієї світової енергії може бути отримано з припливів та відпливів.

Океанські течії:

Так само як і з припливно-відпливними потоками, океанські течії проявляють велетенській потенціал. Ці течії протікають у відкритому океані постійно, тож розробляються різноманітні новітні технології для того, щоби використовувати це здебільшого не застосоване середовище.

Як і з усіма відновлювальними джерелами енергії, продуктивність при використанні цього потенціалу напряму залежить від ефективності застосовуваних технологій. Виконавче управління з екології навколишнього середовища (англ. «EOEA») оцінює поточний потенціал в 400 ТВт-год/рік. Втім, існують всі підстави припускати, що ця цифра є застарілою. Попередні застосування турбін та технологій млинного типу для ловлі таких водних потоків потребували в середньому потік швидкістю п’ять або шість вузлів, щоби працювати ефективно, в той час як більшість потоків на Землі течуть повільніше, ніж три вузли. Однак нещодавні розробки показали можливість отримання енергії з водних потоків швидкістю менше, ніж два вузли. Зважаючи на такий потенціал, можна припустити, що лише одні океанські течії мають змогу живити весь світ електроенергією.

Потенціал Гольфстріму оцінюється в 13 ГВт фактичної продуктивності, припускаючи, що 30% ККД припадає на більш традиційні турбінні технології. Це дорівнює 13 000 МВт або, при постійному використанні потоку протягом року, близько 113 880 000 МВт-год/рік. За оцінками, Сполучені Штати в 2011 році споживали 4,1 мільярди МВт електроенергії. Це означає, що 30% від споживання електроенергії США може покрити один лише Гольфстрім. Знову ж таки, всі ці обрахунки здійснені, припускаючи використання лише устояних технологій.

Осмотична енергія:

Осмотична енергія, або енергія сольового градієнту – це енергія, яка з’являється завдяки різниці концентрації солі в морській та річній воді. Норвезький центр відновлювальної енергетики (англ. «The Norwegian Center for Renewable Energy», «SFFE») оцінює її глобальний потенціал у близько 1370 ТВт-год/рік, інші оцінюють його приблизно в 1700 ТВт-год/рік, або в еквіваленті половини всього попиту на електроенергію в Європі.

Зараз осмотична енергетика перебуває на своєму початковому етапі, та її використання завдяки прогресивним технологіям є багатообіцяючим. Електростанції можуть, в принципі, будуватися будь-де, де прісна вода стикається з морською водою. Вони можуть виробляти електроенергію 24 години на добу 7 днів на тиждень, незалежно від погодних умов.

Океанська термальна енергетика:

Завершальним способом видобутку енергії океану, який варто зазначити, є енергія температурного градієнта морської води (англ. «Ocean thermal energy conversion, OTEC»). При використанні різниці температур на поверхні океану та на його глибині, тепліша вода з поверхні використовується для нагрівання такої рідини, як, наприклад, нашатирний спирт, яка переходить у газоподібний стан і при розширенні приводить у дію турбіну, яка, своєю чергою, виробляє електроенергію. Потім рідина охолоджується завдяки холодній воді з глибин океану і повертається у рідкий стан, таким чином процес повторюється знову і знову.

З усіх джерел енергії, які базуються на океані, енергія температурного градієнта морської води має найбільший потенціал. За оцінками, не завдаючи шкоди температурній структурі океану, можна вироблятися 88 000 ТВт-год/рік. Ця цифра може і не виражати загальну корисну продуктивність, та вона імовірно означає, що понад половина всього поточного глобального споживання енергії може задовольнятися однією лише енергетикою температурного градієнта морської води. На 2013 рік більшість наявних електростанцій, які використовували метод енергії температурного градієнта морської води, були експериментальними або дуже малими за своїм масштабом. Проте, було запущено кілька великих проектів промислових масштабів, включаючи електростанцію потужністю 10 МВт біля берегів Китаю та електростанцію потужністю 100 МВт поблизу Гаваїв. Одна лише позаберегова електростанція потужністю 100 МВт може теоретично живити електроенергією весь Великий Острів Гаваї, тобто – 186 000 людей, згідно з переписом 2011 року.

На завершення цього підрозділу, присвяченого видобутку енергії з океану, у відповідності до попередніх категоріальних оцінок, які було зроблено для сонячної, вітрової та геотермальної енергетики, варто розглянути загальний, комбінований (значною мірою – поміркований) потенціал кожного зазначеного середовища. Коли це, звісно, буде грубою екстраполяцією, оскільки існує багато комплексних змінних, включаючи той факт, що певні застосування все ще є напівекспериментальними і складними для їх відповідної оцінки, ця загальна цифра все таки допоможе усвідомити найбільш широку перспективу щодо потенціалу відновлювальних джерел океану. Ось список всіх зазначених глобальних потенційних можливостей:

Хвилі: 27 280 ТВт-год/рік

Припливи та відпливи: 13 140 ТВт-год/рік (1,5 ТВт × 8760 годин)

Океанські течії: 400 ТВт-год/рік (давні оцінки при застарілих технологіях)

Осмотична енергія: ~1500 ТВт-год/рік (середній показник зазначених статистичних даних)

Океанська термальна енергетика: 88 000 ТВт-год/рік.

Якщо скласти їх разом, ми отримаємо 130 320 ТВт-год/рік або 0,46 ЗДж на рік. Це приблизно 83% поточного світового споживання (0,55 ЗДж). Важливо відзначити, що такі цифри частково зумовлені традиційними технологіями, без урахування коригувань, що їх здатні внести недавні удосконалення. Якщо ми додамо до рівняння традиційну гідроелектричну (основану на потоках води) енергетику, яка, відповідно до даних Міжнародного енергетичного агентства (IEA), має потенціал в 16 400 ТВт-год/рік, то ця цифра зросте до 146 720 ТВт-год/рік, або 96% поточного світового споживання. 

Comments