Acerca del aprovechamiento de la energía oceánica
Utilización de la energía oceánica: el texto utiliza ciertos métodos, equipos y dispositivos para convertir diversas energías oceánicas en energía eléctrica u otras formas utilizables de energía. Es un aspecto importante de la utilización humana de la energía natural.
Tipos de energía oceánica La energía oceánica es energía renovable generada durante el movimiento del agua de mar, que incluye principalmente energía de diferencia de temperatura, energía de las mareas, energía de las olas, energía de las mareas, energía de las corrientes oceánicas, energía de diferencia de salinidad, etc. La energía de las mareas y la energía de las corrientes provienen de la gravedad de la luna, el sol y otros planetas, y otra energía oceánica proviene de la radiación solar.
La energía de diferencia de temperatura del agua de mar es un tipo de energía térmica. La temperatura del agua superficial del mar en latitudes bajas es más alta, lo que forma una diferencia de temperatura con el agua profunda, lo que puede producir intercambio de calor. Su energía es proporcional a la diferencia de temperatura y a la cantidad de agua de intercambio de calor. La energía de las mareas, la energía de las corrientes de las mareas, la energía de las corrientes oceánicas y la energía de las olas son todas energía mecánica. La energía de las mareas es proporcional al rango de marea y al volumen de marea. La energía de una ola es proporcional al cuadrado de la altura de la ola y al área del agua agitada. También existe una diferencia de energía de sal en el agua de mar (también conocida como energía química del agua de mar) en las aguas del estuario. Hay una diferencia de salinidad entre el agua dulce que fluye hacia el mar y el agua salada del océano. Si está separada por una membrana semipermeable, el agua dulce penetra en el agua de mar. lado, que puede generar presión osmótica. La energía es directamente proporcional a la diferencia de presión y la energía de penetración.
Características de la energía oceánica ① Tiene grandes reservas y puede regenerarse infinitamente. Se estima que la potencia disponible de la energía de diferencia de temperatura del agua de mar en la Tierra es del orden de 1010 kilovatios; la energía renovable, como la energía de las mareas, la energía de las olas, la energía de las corrientes oceánicas y la energía de diferencia de salinidad del agua de mar, son todas del orden de 109 kilovatios; . ②El flujo de energía está distribuido de manera desigual y tiene baja densidad. La mayor diferencia de temperatura entre la capa superficial del océano y la profundidad de 500 a 1.000 metros es de sólo unos 20°C, la mayor amplitud de marea a lo largo de la costa es de unos 7 a 10 metros, y la velocidad de las grandes corrientes de marea y de las corrientes oceánicas en alta mar es de sólo 4 a 7 nudos. ③La energía es cambiante e inestable. Entre ellos, la energía de diferencia de temperatura del agua de mar, la energía de las corrientes oceánicas y la energía de diferencia de salinidad cambian relativamente lentamente, mientras que la energía de las mareas y las corrientes de marea cambian en un patrón periódico a corto plazo, y la energía de las olas tiene una aleatoriedad significativa.
Tecnologías e instalaciones para la utilización de la energía oceánica El vínculo clave en la utilización de la energía oceánica es la conversión de energía. Las diferentes formas de energía oceánica tienen diferentes principios y dispositivos tecnológicos de conversión.
La utilización de la energía de la diferencia de temperatura del agua de mar consiste en convertir la energía térmica en energía mecánica y luego en energía eléctrica. El método del ciclo termodinámico se utiliza para convertir la energía térmica en energía mecánica. Hay dos procesos comunes (Figura 1): ① Ciclo de circuito cerrado (también conocido como método del medio intermedio), que utiliza un sistema compuesto por un evaporador y un generador de turbina. , un condensador y una bomba de fluido de trabajo, el evaporador pasa a través del agua caliente de la superficie del océano y el condensador pasa a través del agua fría de las profundidades del océano. La bomba de fluido de trabajo bombea amoníaco líquido u otros fluidos de trabajo desde el condensador al evaporador. medio intermedio. El amoníaco líquido se convierte en gas amoníaco a alta presión debido a la acción del agua caliente, impulsa la turbina de vapor para generar electricidad y el amoníaco gaseoso a baja presión que sale de la turbina de vapor regresa al condensador y se enfría nuevamente. en oxígeno líquido, formando así un ciclo cerrado. ② El ciclo abierto (también llamado método de evaporación instantánea o método de expansión), evapora el agua de mar caliente en vapor en un evaporador de vacío parcial (evaporador instantáneo) y acciona la turbina de vapor para generar electricidad, el vapor de baja presión usado luego ingresa al condensador para enfriar; , y el agua desalinizada condensada se recicla o se descarga al océano. Los primeros dispositivos experimentales utilizaban principalmente procesos de circulación de circuito abierto. Dado que el equipo era susceptible a la corrosión, después de la década de 1960 se cambió a procesos de circulación de circuito cerrado. La eficiencia térmica real de la generación de energía por diferencia de temperatura del agua de mar es muy baja, a menudo solo alrededor del 2%. La cantidad de agua fría y caliente procesada es grande, por lo que los diversos componentes correspondientes son de tamaño muy grande. Las capas de agua profunda del fondo marino son técnicamente difíciles.
La utilización de la energía de mareas, olas, corrientes de marea y corrientes oceánicas solo requiere la conversión de energía mecánica en energía eléctrica, que generalmente se divide en tres pasos: el primer paso es recibir energía, como construir un reservorio de marea para recibir y almacenar energía de las mareas: utilizar un corredor (noria hidráulica) para absorber la energía cinética de las corrientes oceánicas y de las mareas utilizar columnas de agua-cámaras de aire, flotadores que suben, bajan o se balancean con las olas, bolsas de aire comprimibles; , etc. para aceptar la energía de las olas. El segundo paso es la transmisión, generalmente mediante métodos mecánicos, hidráulicos, neumáticos y otros. El terminal de transmisión suele estar equipado con una turbina hidráulica o una turbina de gas. Las centrales de energía mareomotriz utilizan unidades de turbina tubular de bulbo o unidades de turbina tubular completa que se adaptan a los bajos niveles de agua (Figura 2). En los últimos años, se han utilizado turbinas de aire simétricas de perfil aerodinámico para la transmisión de energía de las olas, que pueden girar en una dirección bajo la acción de; ondas. El tercer paso es convertirlo en electricidad u otra energía. Generalmente se convierte en electricidad a través de un generador. Dado que la energía oceánica es inestable, generalmente se requieren instalaciones de almacenamiento de energía, como depósitos, tanques de gas, baterías y volantes, durante todo el proceso de conversión.
La investigación sobre métodos de conversión para utilizar la energía de diferencia de salinidad del agua de mar apenas ha comenzado en los últimos años. Una idea es construir dos presas en la desembocadura del río desemboca en el mar, con un embalse de amortiguamiento en el medio y una membrana semipermeable en el canal entre el embalse de amortiguamiento y el mar abierto. El agua dulce del depósito de amortiguación se filtra a través de la membrana semipermeable y su presión osmótica hace que el nivel del agua en el depósito de amortiguación disminuya. La diferencia de nivel de agua entre el depósito de amortiguación y el río se puede utilizar para generar electricidad. Este método requiere una gran escala de ingeniería debido a la gran cantidad de agua que entra y sale de él.
Las instalaciones de ingeniería que utilizan energía oceánica generalmente se dividen en dos categorías: tipo costero y tipo costa afuera según su ubicación. El primero se basa en tierra costera o aguas marinas poco profundas, mientras que el segundo es una estructura flotante instalada en aguas profundas. Las instalaciones costeras y en alta mar cercanas a la costa pueden utilizar cables submarinos o tuberías de presión para transmitir energía a tierra; las instalaciones en alta mar sólo pueden utilizar energía localmente, como la producción de amoníaco o productos químicos de agua de mar.
Beneficios económicos de la utilización de la energía oceánica La utilización de la energía oceánica sigue siendo muy cara. Tomando como ejemplo la central mareomotriz de Lens en Francia, la inversión por kilovatio de capacidad instalada es de 1.500 dólares estadounidenses (precio de 1980). que es mayor que el de las centrales mareomotrices convencionales.
Sin embargo, en el proceso de utilización de la energía oceánica también se pueden obtener otros beneficios integrales. Por ejemplo, el depósito de una central mareomotriz puede tener en cuenta la acuicultura y el transporte; el agua de mar profunda rica en nutrientes obtenida por el dispositivo de conversión de energía térmica del océano se puede utilizar para desarrollar pesquerías; el sistema de circulación de circuito abierto puede desalinizar y extraer agua de mar; salmuera que contiene elementos útiles; dispositivos de generación de energía de las olas a gran escala. Puede suprimir las olas y proteger simultáneamente puertos marítimos, costas, estructuras marinas y granjas acuícolas. En la actualidad, en las zonas costeras (incluidas las islas) que padecen una grave escasez de energía, sigue siendo aconsejable utilizar la energía del océano como fuente de energía complementaria.
Descripción general del desarrollo La utilización de la energía oceánica comenzó con el uso de la energía de las mareas. Los molinos de marea aparecieron en el siglo XI. En 1966, Francia construyó la central mareomotriz de Lens con una capacidad instalada de 240.000 kilovatios. Actualmente es la central de energía mareomotriz más grande del mundo (ver mapa en color). En 1981, se puso oficialmente en funcionamiento la primera unidad de 500 kilovatios de la central eléctrica experimental mareomotriz de Jiangxia en China (ver imagen en color). La primera patente del mundo para un dispositivo de conversión de energía de las olas se obtuvo en Francia en 1779. En 1965, Japón desarrolló con éxito un dispositivo de generación de energía de las olas para luces de navegación. En la actualidad, países como Japón, el Reino Unido, Noruega y China están realizando varios estudios de prueba de generación de energía de las olas. El más grande es el barco de generación de energía de las olas "Haiming" probado en el Mar de Japón por Japón y otros cinco países. La primera fase de la prueba generará electricidad en 2018. Midió 190.000 grados e inicialmente transmitió electricidad con éxito a la costa. Japón también ha establecido una estación de prueba de energía de las olas de tipo costero. China ha desarrollado un nuevo dispositivo de generación de energía de las olas utilizando turbinas de aire de perfil aerodinámico simétrico y lo instaló en una baliza luminosa flotante en el Mar de China Meridional para uso de prueba (Figura 3). En 1881, los franceses propusieron por primera vez el principio de aprovechar la diferencia de temperatura del agua de mar. Desde la década de 1970, Estados Unidos ocupa el primer lugar en el mundo en términos de financiación para la investigación sobre la conversión de energía térmica oceánica. En 1979, Estados Unidos llevó a cabo una prueba de generación de energía por diferencia de temperatura del agua de mar con una capacidad instalada de 50 kilovatios en una barcaza frente a la isla de Hawaii. Posteriormente, Japón estableció una central eléctrica experimental de tipo costero con diferencia de temperatura del agua de mar en la isla de Nauru con una capacidad instalada de 100 kilovatios.
Con la creciente demanda mundial de energía y la mejora de la tecnología de utilización de la energía oceánica, se espera que en el siglo XX sea posible construir centrales mareomotrices de 100.000 a 1.000.000 de kilovatios en las costas de estuarios con grandes rangos de mareas y habrá dispositivos prácticos de generación de energía de olas medianas y pequeñas y dispositivos experimentales de generación de energía de diferencia de temperatura del agua de mar. A largo plazo, la utilización de la energía oceánica se convertirá en un aspecto importante de las nuevas fuentes de energía del mundo.