Вода. ЕЕ комплексное использование и способы получения

Экспедиции советских  ученых на «Витязе» обнаружили в различных  районах океана тысячи квадратных миль дна, усеянных железо-марганцевыми конкрециями. Это твердые желваки размером от горошины до булыжника в два кулака. Помимо марганца и железа, составляющих основную массу конкреций, в них содержится медь, никель, кобальт и много редких элементов.

Процесс накопления различных  веществ в конкрециях точно неизвестен, но поражает масштаб этого явления. Так, например, запасы кобальта на континентах  оцениваются в миллионы тонн, а  в конкрециях на дне океана их в  тысячи раз больше.

Кроме океанов, конкреций  особенно много в Карском море. Имеются они также в Балтийском и Баренцевом морях.

Общие запасы железомарганцевых  конкреций колоссальны: 200 млрд. Т. В  Тихом океане — 100 млрд. Т, а остальные  в Атлантическом и Индийском.

В США составлен план добычи железомарганцевых конкреций в  размере 5 тыс. Т в сутки. Специально оборудованные корабли будут  их тралить со дна на глубинах в 4—5 км. Затем руда будет доставляться в ближайшие порты, где построят заводы для переработки этого ценного сырья [5].

Морские недра содержат много  ценнейших веществ, например нефть. В нашей стране все большее  пространство прибрежных вод Каспийского  моря покрывается эстакадами и площадками, с которых бурят и добывают нефть из недр морского дна. Некоторые  вышки расположены на много километров от берега. Широко развиты морские  нефтяные промыслы на береговых отмелях  в Карибском море и в Мексиканском заливе. Особенную известность получили морские нефтяные промыслы вблизи берегов  Венесуэлы.

Само море помогает использовать некоторые сокровища Земли, рассеянные в его недрах в небольших количествах. Волны, набегая на берег, разрушают  его, перетирают обломочный материал. Скатываясь, они увлекают за собой  гальку, песок, ил. При этом более  тяжелый материал оседает вблизи берега. В обломочном материале встречаются  такие ценнейшие и редкие элементы, как ванадий, титан, как радиоактивные  и др.

За многие тысячелетия  морские волны совершают такую  работу по сортировке различных частиц, которую не может человек выполнить  даже с помощью совершенных промывных  сит.

На пляжах и в прибрежных наносах концентрируются массы  этих ценных веществ.

В некоторых местах, например на юге Индии, концентрация радиоактивных  веществ в прибрежных песках так велика, что они служат сырьем для атомной промышленности.

    1.3 Энергия морской воды

Океан таит в себе громадные  запасы энергии. Как известно, под  действием сил притяжения, идущих от Солнца и Луны, на Земле возникают  морские приливы и отливы.

1.3.1 Использование энергии приливов

Под влиянием приливообразующих  Луны и Солнца в океанах и морях  возбуждаются приливы. Они проявляются  в периодических колебаниях уровня воды и в ее горизонтальном перемещении (приливные течения). В соответствии с этим энергия приливов складывается из потенциальной энергии воды, и  из кинетической энергии движущейся воды. При расчетах энергетических ресурсов Мирового океана для их использования  в конкретных целях, например для  производства электроэнергии, вся энергия  приливов оценивается в 1 млрд. кВт, тогда как суммарная энергия  всех рек земного шара равна 850 млн. кВт. Колоссальные энергетические мощности океанов и морей представляют собой очень большую природную ценность для человека [6].

С давних времен люди стремились овладеть энергией приливов. Уже в  средние века ее начали использовать для практических целей. Первыми  сооружениями, механизмы которых  приводились в движение приливной  энергией. Были мельницы и лесопилки, появившиеся в X–XI вв. На берегах Англии и Франции. Однако ритм работы мельниц достаточно прерывистый - он был допустим для примитивных сооружений, которые выполняли простые, но полезные для своего времени функции. Для современного же промышленного производства он мало приемлем, поэтому энергию приливов попытались использовать для получения более удобной электрической энергии. Но для этого надо было создать на берегах океанов и морей приливные электростанции (ПЭС).

Создание ПЭС сопряжено  с большими трудностями. Прежде всего, они связаны с характером приливов, на которые влиять невозможно. Так  как они зависят от астрономических  причин. От особенностей очертаний  берегов, рельефа, дна и т.п. (Цикл приливов определяется лунными сутками, тогда как режим энергоснабжения связан с производственной деятельностью и бытом людей и зависит от солнечных суток, которые короче лунных на 50 минут. Отсюда максимум и минимум приливной энергии наступает в разное время, что очень неудобно для ее использования). Несмотря на эти трудности. Люди настойчиво пытаются овладеть энергией морских приливов. К настоящему времени предложено около 300 различных технических проектов строительства ПЭС. Наиболее рациональным экономически эффективным решением специалисты считают применение в ПЭС поворотно-лопастной (обратимой) турбины. Идея, которой впервые была предложена советскими учеными.

Такие турбины — их называют погруженными или капсульными агрегатами — способны действовать не только как турбины на оба направления потока. Но и как насосы для подкачки воды в бассейн. Это позволяет регулировать их эксплуатацию в зависимости от времени суток. Высоты и фазы прилива, удаляясь от лунного ритма приливов и приближаясь к периодичности солнечного времени, по которому живут и работают люди. Однако обратимые турбины не компенсируют уменьшение силы прилива. Что вызывает периодическое изменение мощности ПЭС и затрудняет ее эксплуатацию. Действительно, немалые сложности возникнут в работе территориальной энергосистемы, если в нее включена электростанция, мощность которой изменяется 3–4 раза в течение двух недель.

Советские энергетики показали, что эту трудность можно преодолеть, если совместить работу приливных и  речных электростанций, имеющих водохранилища  многолетнего регулирования. Ведь энергия  рек колеблется по сезонам и из года в год. При спаренной работе ПЭС и ГЭС энергия моря придет на помощь ГЭС в маловодные сезоны и годы, а энергия рек заполнит межсуточные провалы в работе ПЭС.

Далеко не в любом районе земного шара есть условия для  строительства гидроэлектростанций  с водохранилищами многолетнего регулирования. Исследования показали, что передача приливной электроэнергии из прибрежной зоны в центральные  части материков будет оправданной  для некоторых районов Западной Европы, США, Канады, Южной Америки. В этих районах ПЭС можно объединить с ГЭС, уже имеющими большие водохранилища. В таком комплексном инженерном (капсульные агрегаты) и природно-климатическом (объединенные энергосистемы) подходе лежит ключ к решению проблемы использования приливной энергии. В настоящее время началось практическое освоение энергии приливов, чему в немалой степени способствовали усилия советских ученых, позволившие реализовать идею превращения приливной энергии в электрическую в промышленном масштабе [7].

Первая в мире промышленная ПЭС мощностью 240 тыс. кВт построена  и введена в действие в 1967 г. во Франции. Она расположена на берегу Ла-Манша, в Бретани, в устье реки Ранс, где величина прилива достигает 13,5 м. Плотина ПЭС пролегает между мысом Бриант на правом берегу с опорой на островок Шалибер. Многолетняя эксплуатация первенца приливной энергетики доказала реальность сооружения. Выявила достоинства и недостатки (в частности относительно небольшая мощность) таких станций. В связи с этим во многих странах созданы и продолжают разрабатываться новые проекты мощных и сверхмощных промышленных ПЭС. По определению специалистов, в 23 странах мира имеются подходящие районы для их строительства. Однако несмотря на множество проектов, промышленные ПЭС еще не сооружаются.

При всех достоинствах ПЭС (для  них не требуется создания водохранилищ и затопления полезных территорий суши, их работа не загрязняет окружающую среду и т.п.) их доля практически неощутима в современном энергетическом балансе. Однако прогресс в освоении приливной энергии уже отчетливо выражен и перспективе станет более значительным.

1.3.2 Использование энергии волн

Ветер возбуждает волновое движение поверхности океанов и  морей. Волны и береговой прибой обладают очень большим запасом  энергии. Каждый метр гребня волны высотой 3 м несет в себе 100 кВт энергии, а каждый километр — 1 млн. кВт. По оценкам исследователей США, общая мощность волн Мирового океана равна 90 млрд. кВт.

С давних времен инженерно-техническую  мысль человека привлекла идея практического  использования столь колоссальных запасов волновой энергии океана. Однако это очень сложная задача, и в масштабах большой энергетики она еще далека от решения.

Пока удалось добиться определенных успехов в области  применения энергии морских волн для производства электроэнергии, питающей установки малой мощности. Волноэнергетические установки используются для питания электроэнергией маяков, буев, сигнальных морских огней, стационарных океанологических приборов, расположенных далеко от берега, и т.п. По сравнению с обычными электроаккумуляторами, батареями и другими источниками тока они дешевле, надежнее и реже нуждаются в обслуживании. Такое использование энергии волн широко практикуется в Японии, где более 300 буев, маяков и другое оборудование получают питание от таких установок. Волновой электрогенератор успешно эксплуатируется на плавучем маяке Мадрасского порта в Индии. Работы по созданию и усовершенствованию подобных энергетических приборов проводятся в различных странах. Перспективные освоения энергии волн связаны с разработкой совершенных и эффективных устройств большой мощности. В течение последних лет появилось много разных технических проектов их. Так, в Англии энергетиками спроектирован агрегат, вырабатывающий электроэнергию при использовании ударов волн. По мнению проектировщиков, 10 таких агрегатов, установленных на глубине 10 м у западных берегов Великобритании, позволят обеспечить электроэнергией город с населением в 300 тыс. человек.

На современном уровне научно-технического развития, а тем  более и перспективе, должное  внимание к проблеме овладения энергией морских волн, несомненно, позволит сделать ее важной составляющей энергетического  потенциала морских стран.

1.3.3 Использование термической энергии

Воды многих районов Мирового океана поглощают большое количество солнечного тепла, большая часть  которого аккумулируется в верхних  слоях и лишь в небольшой мере распространяется в нижние. Поэтому создаются большие различия температуры поверхностных и глубоколежащих вод. Они особенно хорошо выражены в тропических широтах. В столь значительной разнице температуры колоссальных объемов воды заложены большие энергетические возможности. Их используют в гидротермальных (моретермальных) станциях, по-другому — ПТЭО — системы преобразования тепловой энергии океана. Первая такая станция была создана в 1927 г. на реке Маас во Франции. В 30-х годах начали строить моретермальную станцию на северо-восточном побережье Бразилии, но после аварии строительство прекратили. Моретермальная станция мощностью 14 тыс. кВт была построена на Атлантическом побережье Африки, близ Абиджана (Берег Слоновой Кости), но из-за технических неполадок она теперь не работает. Разработки проектов ПТЭО ведутся в США, где пытаются создать плавучие варианты таких станций. Усилия специалистов направлены не только на решения технических задач, но и на поиск путей снижения себестоимости оборудования моретермальных станций, для того чтобы увеличить их эффективность. Электроэнергия моретермальных станций должна быть конкурентоспособной по сравнению с электроэнергией других видов электростанций. Действующие ПТЭО находятся в Японии, Майами (США) и на острове Куба [3].

Принцип работы ПТЭО и первые опыты его реализации дают основание  полагать, что экономически наиболее целесообразно создавать их в  едином энергопромышленном комплексе. Он может включать в себя: выработку  электроэнергии, опреснение морской  воды, производство поваренной соли, магния, гипса и других химических веществ, создание марикультуры. В этом, вероятно, заключаются основные перспективы развития моретермальных станций.

Диапазон возможностей использования  энергетического потенциала Мирового океана довольно широк. Однако реализовать  эти возможности весьма непросто.

   1.4 Морской транспорт

С древнейших времен океаны и моря — это дорога, связывающая  разные страны. И в наши дни морской  транспорт играет огромную роль в  хозяйственной и культурной жизни  народов. Более 65% мирового транспортного  грузооборота приходится на морской  флот.

Морской транспорт на 40% дешевле  железнодорожного. Громадные советские  танкеры типа «Мир» в 51 тыс. Т водоизмещением заменяют 50 железнодорожных составов по 50 вагонов каждый.

С развитием техники увеличивается  скорость морского флота. Так, например, суда на подводных крыльях развивают  скорость в 100 км в час.

В Советском Союзе с  его колоссальной территорией главное  значение в перевозке грузов принадлежит  железнодорожному транспорту. Но около 65% всех грузов и более 14 млн. пассажиров в год перевозит морской флот. Ленинград, Мурманск, Одесса, Владивосток  и многие другие города быстро развивались  как порты, соединяющие нашу страну со всем миром.

Развитие портовых городов  в других странах также связано  с международными перевозками грузов и пассажиров. В Нью-Йорке, например, причальная линия для кораблей превышает  в длину 900 км.

2 Загрязнение вод Мирового океана

Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения физических, химических и биологических свойств  воды в водоемах в связи со сбрасыванием в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые причиняют или  могут создать неудобства, делая  воду данных водоемов опасной для  использования, нанося ущерб народному  хозяйству, здоровью и безопасности населения

Загрязнение поверхностных  и подземных вод можно распределить на такие типы:

• механическое — повышение содержания механических примесей, свойственное в основном поверхностным видам загрязнений;
• химическое — наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия;
• бактериальное и биологическое — наличие в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;
• радиоактивное — присутствие радиоактивных веществ в поверхностных или подземных водах;
• тепловое — выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных ЭС.