Chociaż oceany zajmują 70% powierzchni Ziemi, to jednak dopiero w ostatnich 50 latach naukowcy zaczęli postrzegać je jako potencjalne źródło energii. Powszechnie uważa się, że technologia wykorzystania wód morskich do wytwarzania energii elektrycznej osiągnęła poziom, który stwarza realne możliwości niezawodnego i taniego czerpania z nich energii. Wyróżnia się trzy główne źródła energii wód morskich: fale, pływy, konwersja oceanicznej energii cieplnej.

Badacze oceniają, że na świecie występuje 12500 mil wybrzeży oceanicznych, nadających się do wykorzystania energii fal. Za najlepsze miejsca dla lokalizacji przyszłych elektrowni tego typu uważa się Kalifornię i Wyspy Brytyjskie, np. wody przybrzeżne Kalifornii mogą generować 7-17 MW mocy na milę wybrzeża. Chociaż energia fal na otwartym oceanie jest ośmiokrotnie większa od energii u wybrzeży, to koszt jej wyprowadzenia na ląd czyni całe przedsięwzięcie nieopłacalnym. W ostatnich latach opracowano i przetestowano kilka sposobów wykorzystania energii fal do produkcji elektryczności. Spośród nich najbardziej znana jest tzw. oscylująca kolumna wodna, dla której najodpowiedniejszą lokalizacją są skaliste wybrzeża. W oscylującej kolumnie wodnej nadchodzące fale wywołują wzrost poziomu wody w głównej komorze, który wypycha powietrze przez turbinę Wells'a. Przy opadaniu fal powietrze jest z powrotem zasysane do tej turbiny, jednak zachowuje ona ten sam kierunek obrotów niezależnie od przepływu powietrza.

Energię pływów można wykorzystywać zarówno w czasie przypływów jak i odpływów. Pływowe elektrownie (jedną z nich pokazano na rysunku) można wznosić u ujść rzek, na plażach lub innych miejscach, gdzie występują przypływy. Pływowe elektrownie wykorzystują przypływ (i ewentualnie odpływ) do napędu turbiny. W kilku krajach, między innymi w Kanadzie, Rosji, Francji i Chinach pracują pływowe elektrownie o różnej mocy. Największą z nich jest elektrownia Rance River we Francji o mocy 240 MW. Niestety budowa pływowych elektrowni jest bardzo kosztowna, a ponieważ pora przypływów i odpływów ulega nieustannej zmianie, to wytwarzają one energię niekoniecznie w czasie zwiększonego zapotrzebowania. Na szczęście jednak pory przypływów i odpływów można z wyprzedzeniem przewidywać, co ułatwia planowanie rozkładu obciążeń między inne elektrownie.

Technologia konwersji oceanicznej energii cieplnej (OTEC) wykorzystuje zmiany temperatury wód morskich na różnych głębokościach. W istocie OTEC umożliwia zamianę energii promieniowania słonecznego pochłoniętego przez te wody na energię elektryczną. Technologię tę można zastosować przy różnicy temperatur warstw wody minimum 36 F. Dotychczas skonstruowano trzy typy układów OTEC: otwarty cykl, zamknięty cykl i cykl mieszany. W układzie otwartym, cieplejsza woda morska w pobliżu powierzchni, będąca czynnikiem roboczym, ulega odparowaniu w komorze próżniowej. Powstała para napędza turbinę niskiego ciśnienia sprzężoną z generatorem. Para wylotowa z turbiny skrapla się w kondensatorze wytwarzając odsoloną wodę. Kondensator chłodzony jest zimną wodą morską czerpaną z głębszych warstw. Do następnego cyklu używana jest nowa ilość wody morskiej. Zaletą tej technologii jest połączenie wytwarzania energii elektrycznej z odsalaniem wody morskiej.

W zamkniętym cyklu OTEC czynnikiem roboczym jest ciecz o niskiej temperaturze wrzenia. Ciepła woda morska powoduje odparowanie czynnika roboczego, którego pary napędzają turbinę niskiego ciśnienia. Zimna woda morska powoduje skroplenie par w kondensatorze, po czym skropliny te są użyte do następnego cyklu przemiany.

Z technologią OTEC naukowcy wiążą duże nadzieje, a mianowicie otwarty cykl OTEC zapewnia odsalanie wody na dużą skalę. Duże ilości energii dostarczane przez te układy umożliwią hodowlę niektórych cennych roślin i zwierząt w wodach oceanicznych. Innym zastosowaniem układów OTEC może być dostarczanie energii niezbędnej do uzyskiwania licznych cennych pierwiastków i związków śladowych zawartych w wodach morskich. Obecnie odzyskiwanie tych substancji śladowych jest nieopłacalne z powodu konieczności użycia wielkich ilości energii. Oprócz przedstawionych sposobów wykorzystania zasobów energetycznych oceanów, naukowcy rozważają także inny śmiały pomysł: uzyskiwanie metanu wytwarzanego przez pewne wodorosty morskie. Pomysł ten znany już od 25 lat, odżył niedawno, gdy naukowcy skierowali swe badania na jednokomórkowe organizmy odkryte na Pacyfiku. Są one zdolne do życia i rozwoju przy zupełnym braku światła słonecznego, a ich ubocznym produktem przemiany materii jest metan. Istnieją uzasadnione nadzieje, że specjalnie wyhodowane odmiany tego organizmu będą w stanie produkować w dostatecznie wielkich ilościach nadających się do zagospodarowania w energetyce.

Na kontynencie amerykańskim z jednym z prekursorów we wdrażaniu energetyki morskiej jest firma kanadyjska Blue Energy. Jednym z jej rozwiązań jest instalacja złożona z dwóch turbin 250 kW służących do zamiany energii fal na elektryczność. Innym rozwiązaniem tej firmy jest planowane przedsięwzięcie polegające na przegrodzeniu Zatoki San Francisco tamą o specjalnej konstrukcji przypominającej ogrodzenie, w którego otworach zostaną zainstalowane turbiny wodne. Tama ta o długości 1000 stóp i szerokości 80 stóp stanie się siłownią o łącznej mocy 15-25 MW. Niestety realizacja tej inwestycji, przewidywana pierwotnie na 2002 r. uległa odroczeniu z powodu trudności z finansowaniem. Budowa elektrowni o łącznym koszcie 30 mln USD potrwa 12 do 16 miesięcy. Firma Blue Energy zaproponowała również podobne rozwiązanie techniczne dla przegrodzenia cieśniny San Bernardino na Filipinach. Tama o podobnej konstrukcji ogrodzenia o długości 1,5 mili umożliwi budowę elektrowni pływowej o mocy szczytowej 2200 MW. Koszt przedsięwzięcia ocenia się na 2,8 mld USD. Rozbudowa tej tamy między sąsiednimi wyspami stworzy największą elektrownię świata o łącznej mocy 25000 MW, zaś koszt tej inwestycji szacuje się na 38 mld USD. Planuje się, że po 25 latach eksploatacji przez wykonawcę użytkowanie obiektu zostanie przekazane władzom Filipin. Jednak, podobnie jak w przypadku elektrowni w zatoce San Francisco, projekt ten nadal oczekuje na źródło finansowania i ostateczną akceptację ze strony rządu Filipin. Dla porównania można przytoczyć koszt budowy największej hydroelektrowni świata Three Gorges na rzece Jangcy w Chinach, który ma wynieść 24 mld USD w roku ukończenia 2009.

Energia pływów morskich

Elektrownia pływowa - elektrownia wytwarzająca prąd elektryczny przy pomocy specjalnych urządzeń wykorzystujących przypływy i odpływy morza. Im są one większe, tym bardziej efektywna jest elektrownia. Jest lokowana w miejscach umożliwiających budowę zapór (z turbinami) między otwartym morzem a utworzonym zbiornikiem.

Elektrownie pływowe (hydroelektrownie) wytwarzają prąd elektryczny przy użyciu siły wód. Buduje się specjalne tamy, które powodują w określonych miejscach gwałtowny spadek mas wody. Woda spada wtedy na turbinę wyposażoną w specjalne łopaty ustawione pod odpowiednim kątem. Turbina wprawiona w ruch przekazuje swoja energię prądnicy, która wytwarza prąd. Ściślej mówiąc, aby umożliwić przemianę energii wód płynących do napędu silników wodnych (kół i turbin), spiętrza się wodę za pomocą budowli piętrzących (jazów lub przegród dolinowych). Uzyskany w danym przekroju rzeki przez spiętrzenie spad stanowi energię mechaniczną.

Silnik wodny napędza bezpośrednio maszyny robocze (np: maszyny młyńskie, tartaczne lub papiernicze) lub też prądnicę prądu elektrycznego. Zakłady złożone z budowli piętrzącej i silników wodnych nazywamy zakładami hydroenergetycznymi lub siłowniami wodnymi, a zakłady w których następuje przemiana energii mechanicznej w energię elektryczną, elektrowniami wodnymi. Są to zakłady energetyczne wykorzystują energię pływów (przypływów i odpływów morza). Olbrzymia, choć ilościowo dokładnie nieznana energia ożywia wody oceanów i mórz podczas pływów (dwa przypływy i dwa odpływy w ciągu doby). Różnica poziomów wody podczas przepływów i odpływów wynosi w niektórych miejscach kuli ziemskiej do 12 m, a średnia moc przypływu i odpływu jest oceniana ~10 trylionów KM, tj. 1012 KM.

Elektrownia tego typu nie może wytwarzać energii elektrycznej w sposób ciągły, ponieważ w okresie wyrównywania się poziomów wody w morzu i zbiorniku spad wody jest tak mały, że praca turbin jest nie możliwa. Z tego względu elektrownia tego typu powinna współpracować z elektrownia cieplną lub rzeczną elektrownią wodną, wytwarzającą energie elektryczną w okresie przerwy w pracy elektrowni przepływowej. Inne rozwiązanie problemu zapewnia ciągłej produkcji energii elektrycznej może polegać na pompowaniu wody do położonego wysoko zbiornika w okresie kiedy różnica poziomów wody w morzu i zbiorniku jest dostatecznie duża i wykorzystywaniu tej wody do poruszania turbin w okresie wyrównywania się poziomów w morzu i zbiorniku. Zakład hydroenergetyczny tego typu nazywa się pompowym.

W swym dolnym biegu rzeki są zbyt leniwe, aby budować na nich elektrownie wodne. Alternatywne źródło energii mogą tam stanowić pływy morskie. Siła pływów podobnie jak w zwykłej elektrowni wodnej obraca się turbinę , połączoną z generatorem. Jednak w niewielu tylko miejscach budowa takiej elektrowni jest opłacalna, gdyż elektrownie te cechują się znikomą rentownością. Jedna z istniejących, położona we Francji nad rzeką Rance, ma moc zaledwie 100MW, czyli 10 część tego, co duża elektrownia węglowa.

W korzystnych warunkach topograficznych możliwe jest wykorzystanie pływów morza. Ujście rzeki wpływającej do morza i wysokie jej brzegi umożliwiają budowę zapory, pozwalającej na wpłynięcie wód morskich w dolinę rzeki podczas przypływu i wypuszczeniu ich poprzez turbiny wodne podczas odpływu.

Największa na świecie taka elektrownia znajduje się we Francji. Ma ona 24 turbiny wodne rewersyjne o mocy po 10MW, a więc cała elektrownia ma moc 240MW. Pracuje od 1967 roku.

Takie elektrownie pracują również w Kanadzie, Chinach i byłym ZSRR, a są projektowane w Wielkiej Brytanii, Kanadzie, Korei Południowej i Indiach. Dla ekonomii pracy elektrowni wykorzystujących pływy nie jest bez znaczenia, że ich okres eksploatacji jest liczony na 100 lat. Wadami elektrowni tych jest zasalanie ujść rzek oraz erozja ich brzegów wskutek wahań wody, a także utrudnianie wędrówek ryb w górę rzek.

Pomimo nieprzezwyciężonych wciąż trudności, naukowcu uważają, że zasoby energii pływów morskich należą do najpoważniejszych na świecie. Napływające w czasie w czasie przypływu wody są, jak już wspomniałam, zatrzymywane przez zaporę i wykorzystywane do napędzania turbin. Z kolei specjalnie skonstruowane przyrządy przetwarzają energię falową wody morskiej na energię elektryczną.

Źródła energii w naszym otoczeniu

Jedną z form energii, która może być przekształcana w energię elektryczna jest energia pływów morskich. Jest to jeden z rodzajów energii wykorzystywanych przez mieszkańców nadmorskich terenów od stosunkowo dawnych czasów. Pierwsze młyny wykorzystujące energię przypływów i odpływów morza zaczęły powstawać w Europie już w wieku osiemnastym. Zasada działania takiego młyna była następująca: w momencie przypływu woda morska przepływała przez specjalne śluzy do zbiornika zwanego retencyjnym W pewnym momencie następowało zamykanie śluz . Wtedy cofająca się podczas odpływu woda wprawiała w ruch koło wodne. Ten sam pomysł wykorzystano do budowy elektrowni wykorzystującej pływy, na terenie Francji. Zbudowano ją u ujścia rzeki Rance. Znajduje się ono na terenie Bretanii. W miejscu ujścia , w poprzek rzeki ustawiono tamę. Znajdujące się w jej wyposażeniu urządzenie działają na zasadzie turbin, które mogą poruszać się w dwóch kierunkach w zależności od kierunku przepływu wody. Tama zawiera łącznie 24 turbiny. W momencie gdy jest przypływ dochodzi do spiętrzania wody aż do chwili ustanowienia różnicy miedzy poziomami wynoszącej około półtora metra. Woda następnie kieruje się ku turbinom, powoduje ich ruch i generowanie energii elektrycznej. W momencie gdy dochodzi do odpływu woda zmienia kierunek i turbiny poruszając się w drugą stronę znowu powodują wytwarzanie energii elektrycznej. Gdy odpływ jest maksymalny wtedy dochodzi do zamknięcia śluz. Dodatkowo jeszcze w celu zwiększenia w rzece poziomu wody powyżej poziomu przypływu do wód rzecznych przepompowuje się pewne ilości wody morskiej. Gdy zacznie się odpływ wtedy dodatkowo wypompowuje się wodę z rzeki, żeby sztucznie obniżyć jej poziom.

Szczytowa moc tej elektrowni we Francji wynosi około 240 MW. Taka ilość energii elektrycznej jest wystarczająca do pokrycia zapotrzebowania miasteczka średniej wielkości. Mimo niewątpliwych zalet takiej elektrowni na świecie nie ma ich zbyt wiele. Jej budowa wiąże się bowiem z bardzo dużymi nakładami finansowymi jak również z koniecznością spełnienia pewnych warunków m.in. posiadania odpowiednio ukształtowanego wybrzeża jak również występowania odpowiednio dużej różnicy poziomów wody przypływów i odpływów. Pod tym względem bardzo dobre warunki panują w obrębie zatoki Bay of Fundy na terenie Nowej Szkocji. W latach osiemdziesiątych wybudowano tam nawet elektrownię wodną ale jej praca wymaga licznych udoskonaleń. Gdyby udało się wykorzystać całą energię pływów to wyprodukowana jej kosztem energia elektryczna wystarczyłaby aby pokryć lokalne zapotrzebowanie i dodatkowo mogłaby być przesyłana w inne rejony.

Innym rodzajem energii , która może zostać wykorzystana do produkcji energii elektrycznej jest energia wiatru. Szacuje się, że gdyby na terenie Europy wybudować około 400 tysięcy generatorów wiatrowych to ilość energii elektrycznej przez nie wyprodukowana znacznie przekroczyłaby obecne zapotrzebowanie krajów europejskich na energię elektryczną. Budowa współczesnych silników wiatrakowych opiera się na wykorzystaniu dwu lub trójłopatowych śmigieł zamocowanych na stalowych lub betonowych wieżach.

Moc takiego pojedynczego silnika wiatrowego zależy przede wszystkim od tego jak wysoka jest wieża na której zamocowana jest konstrukcja oraz od tego jakie rozmiary mają śmigła wirnika. Decydującym czynnikiem jest jednak prędkość wiatru. Obliczono bowiem, że ilość przechwyconej energii jest proporcjonalna do prędkości wiatru podniesionej do potęgi trzeciej. Tak więc jeśli prędkość wiatru zwiększa się dwa razy wtedy ilość energii zwiększa się osiem razy.

Nie na wszystkich rejonach wiatr jest na tyle silny aby ,mogła funkcjonować elektrownia wiatrowa. Wbrew pozorom jednak elektrownia taka do pracy nie potrzebuje bardzo silnego wiatru. Musi on wiać z prędkością z zakresu 21-97 km / h. Przy zbyt silnych powiewach silniki wiatrowe zaprzestają pracy, żeby nie ulec zniszczeniu.

Elektrownie wiatrowe są tak zaprogramowane , żeby w całym podanym wyżej zakresie prędkości wiatru produkować w miarę stałe ilości energii. Dzieje się tak dzięki możliwości zmiany położenia łopat śmigła, które np. przy silniejszych podmuchach zachowują się jak chorągiewka, aby zapobiec nadmiernym przyspieszeniom silnika.

W pracy silnika wiatrowego ważna jest jego pozycja w stosunku do kierunku wiatru. Z tego powodu wirniki zamocowane są na specjalnych obrotnicach. Dzięki obecności czujników może dochodzić do sterowania ruchem obrotnicy i zmieniać położenie wirnika.

Faktem jest jednak, że elektrownie wiatrowe o dużej mocy musiałyby zajmować ogromne przestrzenie. Byłyby również źródłem dosyć dużego hałasu. Nie wszystkim odpowiada taka perspektywa i dlatego w ostatnim czasie pojawia się wiele głosów przeciwnych elektrowniom wiatrowym.

Podejmowano również próby badania możliwości instalowania silników wiatrowych na obszarach morskich. Wyłonił się jednak problem z niemożnością odpowiedniego zakotwiczenia takich silników. Nie bardzo także jak na razie wiadomo jak wyprodukowana energia miałaby być przesyłana na ląd.

Energia wiatru z powodzenie m. jest wykorzystywana np. w Kalifornii, a także w Danii, gdzie pokrywa 3 procent krajowego zapotrzebowania na energię elektryczną.

Innym wykorzystywanym źródłem energii jest energia geotermalna. Jest to energia zmagazynowana we wnętrzu Ziemi. Energia ta jest transportowana ku warstwom powierzchniowym z jądra Ziemi , którego temperatura sięga 4500 stopni C. Natomiast temperatura skorupy ziemskiej osiąga wartość 1000 stopni C. Dzięki temu dochodzi do ogrzewania podziemnych wód . wydostają się one na powierzchnię jako gorące źródła lub gejzery, Jednak na wielu terenach dostęp do wód o najwyższej temperaturze jest trudny i zupełnie nieopłacalny. Tak jest np. na terenie naszego kraju. Wykorzystuje się tylko wody zlokalizowane płycej a co za tym idzie mające niższą temperaturę. Nie może być ona zatem wykorzystana do produkcji energii elektrycznej , ale jej temperatura wystarcza z powodzeniem do ogrzewania mieszkań.

Pierwszą elektrownię geotermiczna wybudowano na terenie Włoch w miejscowości Lardello. Miało to miejsce w roku 1904. Wydobywająca się spod ziemi para wodna o temperaturze z zakresu 140 - 260 stopni wprawiała w ruch turbiny.

W miejscach takich jak Nowa Zelandia , Kalifornia i Meksyk doszło do powstania elektrowni wykorzystujących energię geotermalną , samodzielnie wydobywającą się na powierzchnię ziemi. Jednak tak komfortowych warunków zazwyczaj nie ma na większości terenów i aby dostać się do ciepłych wód należy wiercić głębokie otwory. Czasami też wykorzystuje się ciepło zgromadzone w skałach znajdujących się pod powierzchnią ziemi w ten sposób, że służy ono do ogrzewania wód sztucznie wpompowywanych w ich okolice pod powierzchnię ziemi.

Woda wydostaje się na zewnątrz już w postaci pary wodnej , która następnie służy do napędzania turbin generatora energii elektrycznej.

Innym źródłem energii geotermalnej mogą być granity znajdowane w Kornwalii na głębokości około 2000 metrów. Ich temperatura sięga 700 stopni C.

Skały te można wykorzystywać do nagrzewania wody. Otworem w ziemi woda będzie dostawać się do szczelin w skałach i tam będzie się podgrzewać do temperatury około 200 stopni C. Mimo tak wysokiej temperatury w parę będzie się przekształcać dopiero pod wpływem ciśnienia atmosferycznego. Powstała para będzie napędzała turbiny generatora.

Jednym z problemów takich elektrowni są minerały , z których należy oczyszczać wodę. W przeciwnym bowiem razie mogą one osadzać się na ścianach rur i być przyczyną korozji wielu elementów. Wyniki badań wykazują także, że ponad 60 procent wody wpompowanej pod powierzchnię nigdy nie wydostaje się z powrotem na zewnątrz.

Kolejnym problemem jest konieczność wykonywania odwiertów na duże głębokości. Wydaje się jednak, że jeśli te trudności zostaną pokonane to elektrownia ta będzie miała dużą wydajność.

Innym bardzo łatwo dostępnym źródłem energii jest energia słoneczna. Szacuje się, że ilość energii słonecznej docierającej na powierzchnię Ziemi 1200 razy przewyższa zapotrzebowanie całego świata na energię elektryczną.

Jest to jednak energia przypadająca na całą powierzchnię kuli ziemskiej. Aby mogła ona zostać przekształcona na energię elektryczną musi być zgromadzona na stosunkowo niewielkim obszarze i zostać poddana koncentracji.

Energia słoneczna może być również źródłem energii cieplnej. Jej przekształcanie w taką formę energii odbywa się w kolektorach słonecznych. Przeważnie wykorzystywane są one do ogrzewania pojedynczych domostw i zabudowań gospodarczych. Takie kolektory montowane są przeważnie na dachach zwróconych w stronę Słońca.

Kolektory słoneczne są bardzo popularne na obszarze Japonii a także w Kalifornii.

Wykorzystanie energii słonecznej do produkcji energii elektrycznej wymaga odpowiedniego zogniskowania energii elektrycznej. Aby uzyskać efekt zogniskowania wykorzystuje się zwierciadła.

Na obszarze Europy elektrownia słoneczna o największych rozmiarach znajduje się we Francji. Jej moc sięga 2.5 MW. Konwersja energii słonecznej na energię elektryczną odbywa się w ogniwach słonecznych.

---