Океан как источник энергии [1, С. 124–130], [2, С. 125, 132–135, 146–147, 151–153]
Моря и океаны – огромный источник возобновляемой энергии. Основные формы энергии океана:
– тепловая энергия, поглощенная водой;
– механическая энергия приливов;
– механическая энергия волн;
– энергия океанических течений;
– энергия градиентов солености.
В результате поглощения энергии солнечного излучения поверхность Мирового океана нагревается. При этом самый верхний слой вод толщиной 25…50 м хорошо перемешивается волнами и течениями, а потому прогревается равномерно. Однако ниже температура резко падает; происходит как бы ее скачок. Под этим слоем толща воды еще холоднее, но температура в ней более плавно понижается с глубиной. На еще большей глубине вода почти однородна по температуре, так как в глубинах океанов в основном находятся воды, поступающие из полярных областей Земли. Вблизи экватора температура поверхностных слоев океана может достигать 25…30 °С. К северу и к югу от экватора температура воды понижается. В то же время температура глубинных слоев воды на 10…15 °С ниже.
Запасенная в океане тепловая энергия может быть оценена по формуле
 ,
| (7.1) |
где ρ, V, c – плотность, объем и удельная теплоемкость поверхностных вод; T 1, T 2 – температуры воды на поверхности океана и до которой можно эту воду охладить.
Мощность тепловых ресурсов океана оценивается примерно в 11 млрд. кВт (11 ТВт), что превосходит годовое производство электрической энергии во всем мире.
Приливы – периодические колебания уровня океана – вызываются притяжением Луны и Солнца, а также центробежными силами, возникающими при вращении Земли. Так как Луна находится к Земле в 400 раз ближе, чем Солнце, то решающую роль играет прилив, вызываемый Луной. Так как взаимное положение Луны, Земли и Солнца постоянно меняется, то непостоянны и приливы. В связи с этим приливы подразделяются на сизигийные и квадратурные. Сизигийные приливы возникают в том случае, когда Солнце, Луна и Земля находятся на одной прямой. Так как при этом гравитационное притяжение небесных тел суммируется, такие приливы выше. Когда небесные тела находятся под углом друг к другу, наступают квадратурные приливы.
На границе раздела океан – суша высота приливной волны может достигать 15…20 м. Самые высокие и сильные приливы возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны.
Энергия приливов образуется от кинетической энергии воды, движущейся от верхнего уровня к нижнему. Количество энергии, заключенной в приливе, приблизительно пропорционально квадрату высоты прилива.
Максимально возможная мощность в одном цикле прилив-отлив, т.е. от одного прилива до другого, выражается уравнением
 ,
| (7.2) |
где g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения; S – площадь приливного бассейна; R – разность уровней при приливе.
Общая мощность приливов на земном шаре оценена примерно в 3 млрд. кВт (что составляет около 1/3 всей мощности, используемой в настоящее время людьми). Однако только около 2 % этой энергии считается потенциально доступными для использования в тех местах, где высота приливов составляет 5 м и более (при КПД 8…25 %).
В настоящее время в мире насчитывается 25 районов, где по географическим условиям возможно извлечение приливной мощности (в Российской Федерации таких районов четыре). Эта мощность оценивается в 60…100 млн. кВт.
В отличие от солнечной и ветровой энергии приливная энергия характеризуется неизменностью ее среднемесячного потенциала в сезонном и многолетних циклах.
Волны образуются из-за воздействия ветра на поверхность морей и океанов. Ветер передает часть своей энергии воде, приводя в движение поверхностные слои. Движущиеся массы воды обладают значительной инерцией, поэтому волны являются своеобразным аккумулятором энергии ветра.
Энергия волны является функцией массы воды, приподнятой выше среднего уровня поверхности моря, и орбитальной скорости частиц воды в волне. Передаваемая волне энергия зависит от скорости ветра, расстояния, на котором он взаимодействует с водой, и продолжительности времени, в течение которого дует ветер.
Индивидуальные волны могут характеризоваться высотой, расстоянием между гребнями (длиной волны), промежутком времени между двумя последовательными гребнями (периодом) и скоростью. Мощность волны является функцией скорости, при которой энергия переносится через 1 м линии перпендикулярно направлению волны и выражается в киловаттах, отнесенных к 1 м фронта волны.
Энергия E, приходящаяся на единицу фронта волны высотой H и длиной L,
 ,
| (7.3) |
а мощность
 ,
| (7.4) |
где T – период волны, с; ρ – плотность воды, кг/м3; g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения.
Период ветровых волн лежит в диапазоне от 2 до 20 с, а высота от подошвы до гребня обычно составляет 1…3 м, но в экстремальных условиях может достигать 30 м.
На интенсивность волнообразования влияет состояние моря. В зависимости от состояния моря мощность волны может составлять от 2 до 900 кВт/м. Средняя энергия волн зимой может быть в 5…6 раз больше, чем летом; осенью море более беспокойное, чем весной.
Наибольшие потенциальные запасы энергии волн Мирового океана в обоих полушариях сосредоточены между 40 и 60° широты.
Удельная мощность волн Черного моря составляет 8 кВт/м, Каспийского – 11 кВт/м, Баренцева – 29 кВт/м, Балтийского – 8 кВт/м, Охотского – 20 кВт/м.
Большими запасами кинетической энергии обладают океанические и морские течения. Крупнейшие меридианальные течения, такие как Гольфстрим и Куросио, характеризуются расходами переносимой воды в десятки миллионов кубометров в секунду.
Энергию, которую несет такой поток, можно определить по формуле, Вт
 ,
| (7.5) |
где m – масса воды, кг; A – площадь поперечного сечения [для Гольфстрима – 28 км2], м2; v – скорость, м/с.
Для решения энергетических задач подходят течения со скоростями выше 0,6 м/с.
Одним из возможных перспективных источников энергии океана является энергия, выделяющаяся в процессе смешения соленых морских вод с пресными речными или дождевыми водами. Энергия градиента солености имеет высокую концентрацию и по энергозапасам сравнима с тепловой энергией океана.
Для получения этой энергии используется явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя в раствор через полупроницаемую перегородку.
Соленость морской воды составляет 35 г/л, а пресной – 1 г/л. Если между морской и пресной водой поместить перегородку, которая будет пропускать молекулы растворителя (воды) и задерживать частицы растворенного вещества (солей), то за единицу времени из слоя пресной воды в слой морской воды будет проходить больше молекул растворителя. Это приведет к тому, что объем морской воды увеличится, и он будет совершать работу, называемую осмотической. Если на пути этой воды установить водяную турбину, она будет вращаться.
Создаваемое таким образом осмотическое давление можно определить по формуле
 ,
| (7.6) |
где C м – молярная концентрация растворенного вещества, моль/л; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·град); T – температура, К.
То есть, чем больше концентрация растворенных веществ и выше температура, тем значительнее осмотическое давление и энергия, воздействующая на турбину.
Потенциал такого источника энергии оценивается в 1 млрд. кВт. Первая установка подобного типа построена в 2009 году в Норвегии.
Литература
1. Баранов, Н.Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии: учебное пособие для вузов / Н.Н. Баранов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 384 с.
2. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / под ред. В.В. Денисова. – Ростов н/Д.: Феникс, 2015. – 382 с. + CD. – (Высшее образование). – Электронное приложение.