Проблемы использования энергии вод Мирового океана

1. Приливная энергия. Энергия приливов возникает под действием гравитационных сил Луны и Солнца. Приливные электростанции (ПЭС) используют разницу уровней воды между приливом и отливом. Существуют два основных типа: ПЭС на основе плотин (бассейнового типа) и установки на основе приливных турбин (потокового типа).
2. Волновая энергия. Энергия поверхностных волн формируется в результате передачи энергии ветра водной поверхности. Средняя мировая мощность волн оценивается в 2–3 ТВт. Для её улавливания разработаны осциллирующие водяные колонны, точечные поглотители, шарнирные устройства и другие конструкции^[3][4].
3. Энергия морских течений. Постоянные и полупостоянные течения (Гольфстрим, Куросио, Антарктическое циркумполярное течение и др.) переносят огромные массы воды и несут кинетическую энергию. Используются подводные турбины, конструктивно напоминающие ветрогенераторы.
4. Тепловая энергия океана (Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC))^[5] основана на разнице температур между тёплыми поверхностными водами тропических широт (25–30 °C) и холодными глубинными водами (4–6 °C). Технология применима при температурном градиенте не менее 20 °C.
5. Осмотическая (градиентно-солёностная) энергия. Энергия, возникающая при смешении пресной и морской воды, может быть преобразована методами обратного электродиализа (RED) или осмоса с задержкой давления (PRO). Потенциал оценивается в 2,6 ТВт.
6. Ветровая энергия (офшорная ветровая энергия). Морские (оффшорные) ветряные электростанции располагаются в акваториях морей и океанов, преимущественно на удалении 10–12 км и более от береговой линии. Для мелководного шельфа применяются свайные (моно- и мультипайльные) фундаменты, заглубляемые в морское дно на глубину до 30 метров. Суммарная установленная мощность офшорных ВЭС к концу 2022 года превысила 60 ГВт с устойчивой тенденцией к росту.

Морская вода представляет собой высококоррозионную среду, содержащую растворённые соли (около 35 ‰), кислород и биологические компоненты. Коррозия металлических конструкций приводит к разрушению несущих элементов турбин и генераторов, как следствию приводит к сокращению срока службы оборудования и требует частого и дорогостоящего технического обслуживания.

Помимо химической коррозии, значительную угрозу представляет биообрастание — колонизация подводных поверхностей моллюсками, водорослями, бактериями. Обрастание увеличивает гидродинамическое сопротивление, нарушает теплообмен и снижает эффективность работы турбин.

Океанические установки подвергаются различного рода гидрологическим процессам. Наиболее распространенные - это волны, в особенности высотой более 20 м, создающим циклические динамические нагрузки на оборудование. Для оборудования также пагубное воздействие оказывают плавающие объекты, льдины, и сейсмические явления.

Проектирование конструкций, способных одновременно эффективно работать в штатных условиях и выживать при экстремальных, остаётся одной из самых сложных инженерных задач.

По сравнению с ископаемыми источниками, плотность энергии океана относительно невелика. Например, плотность мощности волн — 20–70 кВт/м фронта волны, а плотность мощности течений — 1–3 кВт/м² при скоростях 2–3 м/с. Термодинамический КПД систем OTEC ограничен циклом Карно и составляет 3–7 %.

Это требует создания масштабных конструкций для получения значимой мощности, что увеличивает стоимость и сложность.

Передача электроэнергии от офшорных установок к береговым потребителям требует прокладки подводных кабелей на большие расстояния, что предполагает использование дорогих преобразователей постоянного/переменного тока, а также обеспечение защиты кабельных линий от повреждений якорями, тралами и природными процессами.

Потери при передаче могут составлять 5–15 % в зависимости от расстояния и типа кабеля.

Морские установки расположены в труднодоступных местах, что ограничивает доступ для ремонта и обслуживания. Доступность будет зависеть от погодных условий, и требовать наличия специализированных судов и водолазов. Безусловно, такая эксплуатация будет связана с высокими затратами и длительными простоями.

Средняя доступность океанических энергетических установок пока значительно ниже, чем у ветровых или солнечных станций.

Удельная стоимость электроэнергии (LCOE — Levelized Cost of Energy) для океанических технологий в настоящее время существенно превышает таковую для традиционных источников:

Для сравнения: солнечная энергия — 0,03–0,06 /кВт⋅ч, береговой ветер—0,03–0,05/кВт·ч.

Строительство морских энергетических объектов требует дорогостоящих материалов, устойчивых к коррозии (титан, специальные стали, композиты); специализированных морских строительных судов; масштабных дноуглубительных и фундаментоустановочных работ; развитой береговой инфраструктуры.

Отрасль находится на ранней стадии коммерциализации, в связи с чем еще отсутствует развитый рынок и цепочки поставок, что создаёт высокий технологический риск. Многие проекты не выходят за рамки пилотных. Сложность прогнозирования реальной выработки энергии и неопределённость в долгосрочной надёжности и сроках службы затрудняют привлечение частного финансирования.

В отличие от ветровой и солнечной энергетики, в океанической энергетике на данный момент нет стандартизированных решений и отсутствует серийное производство оборудования. Число квалифицированных специалистов ограничено и слабо развиты цепочки поставок комплектующих.

Установки океанической энергетики, размещаемые в естественной морской среде, неизбежно оказывают многоплановое воздействие на живые организмы^[6]. Наиболее уязвимыми оказываются рыбы и морские млекопитающие, чьи миграционные пути могут пересекаться с районами размещения энергетических объектов. Шум от работы турбин и насосов, электромагнитные поля, генерируемые подводными кабелями передачи энергии, а также физические барьеры в виде фундаментов и самих конструкций способны дезориентировать животных, нарушать их навигационные способности и изменять традиционные маршруты миграций. Бентосные сообщества, населяющие морское дно, страдают на этапе строительства: установка фундаментов, проведение дноуглубительных и якорных работ приводят к прямому разрушению местообитаний, перераспределению донных осадков и временному или долгосрочному изменению состава бентоса.

Особую озабоченность вызывает воздействие на морских птиц, особенно в случае строительства приливных электростанций плотинного типа. Перегораживание эстуариев и заливов изменяет гидрологический режим, что сказывается на кормовой базе птиц, использующих прибрежные мелководья в качестве мест нагула и отдыха во время сезонных миграций. Не менее серьёзной, хотя и менее очевидной, является проблема воздействия на планктонные организмы — основу морских пищевых цепей. Турбины приливных и теченевых установок, а также водозаборные системы тепловых и осмотических станций способны повреждать планктон за счёт механического воздействия, резких перепадов давления и сдвиговых нагрузок, что потенциально может иметь каскадные последствия для всей экосистемы.

Приливные электростанции плотинного типа оказывают наиболее выраженное воздействие на физическую среду акватории. Перегораживание залива или эстуария плотиной существенно изменяет естественный режим циркуляции воды, что влечёт за собой целый ряд последствий. Замедляется водообмен с открытым морем, изменяется характер приливных колебаний как внутри бассейна, так и за его пределами. Существенно трансформируются процессы седиментации — отложения наносов: в одних зонах начинается усиленное заиление, в других, напротив, активизируется размыв дна. Эти изменения могут привести к деградации прибрежных экосистем, изменению конфигурации береговой линии и даже повлиять на устойчивость самих береговых сооружений.

Кроме того, в изолированных бассейнах ПЭС могут наблюдаться заметные изменения солёности и температурного режима, особенно в устьевых областях рек. Уменьшение проточности способствует накоплению биогенных элементов, что может провоцировать эвтрофикацию и связанные с ней негативные явления — цветение воды, снижение концентрации растворённого кислорода, заморы рыб. Все эти изменения необходимо учитывать уже на стадии проектирования, однако их долгосрочные последствия зачастую остаются недостаточно предсказуемыми.

Подводный шум, генерируемый работой турбин, насосных агрегатов, а также строительными и монтажными работами, представляет собой серьёзный фактор беспокойства для морской фауны. Китообразные, использующие звук как основное средство коммуникации, ориентации и поиска пищи, особенно чувствительны к антропогенному шумовому воздействию. Постоянный фоновый шум от работающих установок маскирует естественные звуки, нарушает коммуникацию между особями, затрудняет поиск добычи и может приводить к хроническому стрессу. Кратковременные, но интенсивные шумовые воздействия, возникающие, в частности, при забивке свай во время строительства, способны вызывать у морских животных временную или даже постоянную потерю слуха, а в крайних случаях — физические повреждения слуховых органов.

Рыбы также реагируют на подводный шум изменением поведения, нарушением ориентации, смещением с традиционных мест нагула и нереста. Для минимизации шумового воздействия разрабатываются специальные технические решения — шумопоглощающие кожухи, пузырьковые завесы вокруг зон строительства, оптимизация режимов работы турбин, однако полное исключение шумового фактора пока недостижимо.

Тепловые энергетические установки океана (OTEC), использующие разницу температур между поверхностными и глубинными водами, сопряжены со специфическими экологическими рисками. Одной из ключевых операций является сброс больших объёмов холодной глубинной воды, которая существенно отличается по своим характеристикам от поверхностных вод: она богата биогенными элементами — азотом, фосфором, кремнием, накопившимися в результате разложения органического вещества в глубинных слоях. При подъёме на поверхность и сбросе такая вода может провоцировать интенсивное локальное цветение фитопланктона, что, с одной стороны, может рассматриваться как положительный эффект для продуктивности экосистемы, но с другой — способно вызывать нежелательные последствия, включая развитие вредоносных водорослей (HABs), снижение концентрации кислорода в придонных слоях и нарушение естественного баланса экосистемы.

Дополнительную опасность представляет использование в качестве рабочих тел аммиака или фреонов в замкнутых и гибридных циклах OTEC. Утечки этих веществ, даже в небольших количествах, способны оказать токсическое воздействие на морские организмы, особенно в условиях тропических морей с их уязвимыми коралловыми и пелагическими экосистемами. Наконец, непрерывный забор глубинной воды в промышленных масштабах теоретически способен влиять на вертикальную стратификацию вод и локальный апвеллинг, хотя масштабы этого воздействия для единичных установок считаются незначительными, но требуют тщательной оценки при создании крупных энергетических кластеров.

Прибрежные и береговые установки океанической энергетики оказывают заметное воздействие на эстетический облик побережий, что особенно важно для регионов, экономика которых в значительной степени зависит от туризма. Волновые энергетические установки, размещаемые в прибрежной зоне, приливные турбины, видимые во время отливов, береговые сооружения ПЭС и подводные кабели могут восприниматься местными жителями и туристами как инородные элементы, нарушающие естественный ландшафт. Это способно снижать туристическую привлекательность регионов, негативно сказываться на стоимости прибрежной недвижимости и вызывать сопротивление местных сообществ.

Кроме того, размещение энергетических объектов нередко сопровождается ограничением доступа к традиционным пляжам и акваториям, используемым для рекреации, купания, любительского рыболовства и водных видов спорта. Зоны безопасности вокруг установок, как правило, закрываются для судоходства и рыбной ловли, что дополнительно сужает пространство, доступное для рекреационного использования. Учёт этих факторов требует проведения тщательных социально-экономических оценок и активного вовлечения местных сообществ в процесс принятия решений о размещении энергетических объектов.

Глобальное изменение климата создаёт для океанической энергетики особые долгосрочные вызовы, которые необходимо учитывать уже на стадии проектирования объектов с расчётным сроком службы 25–50 лет и более. Одним из наиболее очевидных последствий является неуклонное повышение уровня Мирового океана, которое, по различным сценариям МГЭИК, может составить от 0,3 до 1,1 м к концу XXI века, а в случае ускоренного таяния ледниковых щитов — и существенно больше. Этот процесс способен кардинальным образом изменить конфигурацию прибрежных зон, особенно в низменных районах, где размещается значительная часть береговой инфраструктуры океанических энергетических установок.

Повышение базового уровня моря непосредственно влияет на расчётные параметры приливных электростанций: изменяется амплитуда приливных колебаний, трансформируется режим затопления и осушения бассейнов, пересматриваются проектные уровни воды, от которых зависит работа турбинного оборудования. Существующие ПЭС, спроектированные в середине — конце XX века, могут столкнуться с необходимостью дорогостоящей модернизации или даже оказаться неэффективными в новых гидрологических условиях. Для проектируемых объектов неопределённость прогноза повышения уровня моря создаёт серьёзные трудности при выборе проектных характеристик — завышение параметров ведёт к удорожанию строительства, а занижение создаёт риски преждевременного выхода объектов из строя.

Кроме того, повышение уровня океана существенно увеличивает риск затопления береговой инфраструктуры — трансформаторных подстанций, систем управления, подъездных путей, жилых и служебных построек, связанных с энергетическими объектами. Это требует принятия дополнительных мер по защите береговой зоны, увеличения высоты защитных сооружений, переноса критически важных элементов инфраструктуры в более высокие отметки, что неизбежно ведёт к росту капитальных и эксплуатационных затрат.

Климатические модели предсказывают существенные изменения в режиме волнения и морских течений, которые напрямую определяют энергетический потенциал океана и, следовательно, эффективность работы установок. Изменение атмосферной циркуляции, связанное с глобальным потеплением, ведёт к перераспределению ветровых полей над океаном, что, в свою очередь, влияет на высоту, периодичность и направленность ветровых волн. В некоторых регионах, например в Северной Атлантике и южных умеренных широтах, прогнозируется увеличение средней высоты волн и рост энергетического потенциала, тогда как в других — например, в отдельных районах тропиков и субтропиков — ожидается снижение волновой активности. Эти региональные различия требуют пересмотра подходов к выбору мест размещения волновых энергетических установок и могут сделать часть уже запроектированных объектов менее перспективными.

Не менее значимы изменения в режиме морских течений. Ослабление или смещение траекторий крупных океанических течений, таких как Гольфстрим или Антарктическое циркумполярное течение, о которых свидетельствуют данные наблюдений последних десятилетий и результаты климатического моделирования, способно существенно повлиять на энергетический потенциал теченевых установок. Даже относительно небольшие изменения скорости течений приводят к пропорционально большим изменениям в доступной кинетической энергии, поскольку она пропорциональна кубу скорости потока.

Особую озабоченность вызывает прогнозируемое увеличение частоты и силы экстремальных штормовых явлений. Штормы с повторяемостью, ранее характерной для исключительных событий, могут стать более обычным явлением, что существенно повысит экстремальные нагрузки на конструкции установок. Это требует увеличения запасов прочности, применения более дорогостоящих материалов и инженерных решений, способных выдерживать возросшие нагрузки, что напрямую ведёт к удорожанию проектов. Совокупность перечисленных климатических факторов создаёт принципиальную неопределённость при долгосрочном проектировании океанических энергетических объектов: установки, рассчитанные на климатические условия начала XXI века, к середине или концу века могут оказаться либо недостаточно мощными в связи с изменением ресурсной базы, либо недостаточно прочными в связи с возросшими экстремальными нагрузками. Учёт этих долгосрочных климатических рисков требует применения адаптивных подходов к проектированию, создания конструкций с возможностью модернизации и разработки гибких стратегий размещения объектов, способных учитывать меняющиеся условия на протяжении всего срока их службы.

Морские пространства представляют собой ограниченный ресурс, который одновременно используется для множества видов деятельности. Традиционно акватории задействованы для интенсивного судоходства, рыболовства и аквакультуры, добычи нефти и газа, прокладки подводных кабелей связи и трубопроводов, а также для туризма и рекреации. Появление в таких акваториях морских энергетических объектов неизбежно порождает конфликты интересов с уже существующими пользователями. Энергетические установки могут создавать помехи для судоходных путей, ограничивать доступ рыболовецких судов к традиционным промысловым районам, влиять на миграционные пути рыб и тем самым снижать уловы, конкурировать за пространство с нефтегазовыми объектами, пересекаться с трассами подводных кабелей и трубопроводов, а также ограничивать рекреационное использование прибрежных зон. Разрешение подобных конфликтов требует проведения сложных переговоров, разработки компенсационных механизмов и поиска компромиссных решений, что дополнительно увеличивает сроки и стоимость реализации проектов. Во многих странах до настоящего времени не созданы эффективные механизмы пространственного морского планирования, позволяющие заранее распределять акватории между различными видами морепользования и минимизировать потенциальные конфликты.

Особую сложность представляет правовой режим использования энергии океана за пределами исключительных экономических зон, то есть далее 200 морских миль от береговой линии. Действующая Конвенция ООН по морскому праву (UNCLOS) 1982 года, являющаяся основополагающим международным документом в области морского права, была разработана задолго до появления современных технологий океанической энергетики и потому не содержит специальных норм, регулирующих этот вид деятельности.

В результате остаётся неясным целый ряд принципиальных вопросов. Во-первых, не определено, какими правами обладают государства и частные компании на установку энергетического оборудования в открытом море и на континентальном шельфе за пределами национальных юрисдикций. Во-вторых, не разработаны механизмы распределения выгоды от использования энергетических ресурсов океана, особенно с учётом принципа, согласно которому ресурсы международного района морского дна рассматриваются как общее наследие человечества. В-третьих, не урегулированы вопросы ответственности за возможный экологический ущерб, причинённый в результате эксплуатации установок в открытом море, а также порядок возмещения такого ущерба. Эти правовые пробелы создают существенные риски для инвесторов и сдерживают развитие проектов, ориентированных на удалённые от берега акватории, где энергетический потенциал зачастую выше, чем в прибрежной зоне.

Океаническая энергетика как отрасль находится на ранней стадии развития, и для неё до настоящего времени не разработана полноценная система международных стандартов, охватывающая все ключевые аспекты проектирования, строительства и эксплуатации установок. В частности, отсутствуют единые стандарты проектирования, которые учитывали бы специфику различных типов океанической энергии — приливной, волновой, тепловой, осмотической. Не сформированы унифицированные протоколы экологической оценки, позволяющие сопоставлять воздействие различных проектов на морскую среду и обеспечивать единый подход к оценке допустимости их реализации.

Не разработаны и международные стандарты безопасности, регулирующие как эксплуатацию самих установок, так и их взаимодействие с другими пользователями морской среды — судоходством, рыболовством, подводными коммуникациями. Наконец, отсутствуют общепризнанные методики оценки энергетического потенциала различных акваторий, что затрудняет сопоставление ресурсов разных регионов и принятие обоснованных инвестиционных решений.

Отсутствие стандартизации приводит к тому, что каждый проект развивается, по сути, в индивидуальном нормативном режиме, что увеличивает затраты на его реализацию, замедляет внедрение технологий и ограничивает возможности международного сотрудничества. Формирование единой системы международных стандартов в области океанической энергетики является одной из важнейших задач, решение которой во многом определит темпы развития отрасли в ближайшие десятилетия. Эту работу ведут Международное энергетическое агентство (IEA), Международная электротехническая комиссия (IEC), Международная организация по стандартизации (ISO) и ряд других международных организаций, однако процесс выработки согласованных нормативных документов остаётся длительным и требует координации усилий множества заинтересованных сторон.^[7]

⚠️Подсказка для ЕГЭ/ОГЭ

Для успешной сдачи ЕГЭ по теме «Проблемы использования энергии вод Мирового океана» вам необходимо четко различать технические, экономические, экологические и правовые барьеры, которые сдерживают масштабное освоение этого возобновляемого ресурса, несмотря на его колоссальный потенциал (энергия приливов, волн, течений, температурного градиента, осмотический градиент).

Главная проблема — высокая капиталоемкость и длительный срок окупаемости проектов: строительство приливных электростанций (ПЭС) требует огромных бетонных сооружений и сложных турбин, работающих в агрессивной морской среде, а волновые и градиентные установки пока имеют низкий КПД (2–5%) и высокую стоимость киловатт-часа по сравнению с традиционной энергетикой. Технические сложности связаны с изменчивостью и непостоянством морских энергопотоков (приливы цикличны, волны зависят от погоды, течения меняются), необходимостью передачи энергии на большие расстояния от берега и защиты оборудования от штормов, коррозии и обрастания.

Экологические риски не менее значимы: ПЭС изменяют естественный гидрологический режим заливов, нарушают миграцию рыб и планктон, усиливают турбулентность, а массивы преобразователей волн могут угрожать морской фауне и судоходству. Кроме того, правовой аспект — размещение мощных энергоустановок в исключительных экономических зонах требует международных согласований, а отсутствие стандартов и субсидий делает проекты инвестиционно непривлекательными. Однако запомните главный тренд: развитые страны (Великобритания, Норвегия, Китай, США, Россия) активно разрабатывают экспериментальные проекты (ПЭС в Ла-Рансе, Сихва, волновой парк в Португалии, ОТЭК на Гавайях), и в долгосрочной перспективе океанская энергетика рассматривается как элемент декарбонизации, но массовое внедрение откладывается до удешевления технологий и решения проблем аккумулирования энергии.

Для ЕГЭ важнее всего уметь приводить 2–3 конкретных аргумента (дороговизна, нестабильность, экологические угрозы) и понимать, что Россия имеет перспективы в приливной энергетике (Кислогубская ПЭС, залив Мезень) и в использовании Куросио, но из-за вышеперечисленных проблем доля океанской энергии в мировом энергобалансе пока не превышает долей процента.