8 очевидных сфер применения морских возобновляемых источников энергии

В прошлом году Управление технологией гидроэнергетики Министерства энергетики США  опубликовало отчет «Обеспечение синей экономики; Изучение возможностей использования возобновляемых источников энергии на морских рынках» (Powering the Blue Economy ™: Exploring Opportunities for Marine Renewable Energy in Maritime Markets ). В отчёте  выделены потенциальные рынки для морских энергетических технологий за пределами национальной электросети.

Под термином «синяя экономика» подразумевается организационный принцип, в котором отражается взаимодействие между экономической, социальной и экологической устойчивостью океана.  Этот принцип в наше время находит всё больше сторонников в правительствах различных стран, в промышленности и некоммерческих организациях. Интерес к нему подпитывается и растущим потоком инвестиций в морские технологии следующего поколения.

По данным Организации экономического сотрудничества и развития (Organisation for Economic Co-operation and Development, OECD) в 2016 году, связанные с океаном отрасли принесли  в экономику более 1,5 триллиона долларов добавленной стоимости.  Каждый год эта цифра растёт. Ожидается, что к 2030 году она удвоится.

Учитывая огромную ценность океана, его способность вносить свой вклад в устойчивое развитие экономики имеет важные последствия с широким спектром социальных и экологических выгод. В большинстве сфер «синей экономики» морская энергетика характеризуется как развивающийся сектор.  Морские энергетические технологии преобразовывают энергию океанских волн, приливов и течений в электричество или другие формы полезной энергии. Часто, вместе с оффшорными – то есть, установленными за пределами материка — ветровыми генераторами, они выступает под общим  названием «морские возобновляемые источники энергии».

Морские энергетические ресурсы географически разнообразны, что делает их применимыми на значительных территориях. Энергия, содержащаяся в этих ресурсах, значительна, предсказуема, надежна и может развиваться экологически ответственным образом.

В отчете исследован широкий спектр потенциальных приложений морской энергетики в рамках двух тематических направлений:

1. Предоставление энергии на море для поддержки оффшорной промышленности, науки и деятельности в области безопасности.
2. Удовлетворение энергетических и водных потребностей заинтересованных сторон в сельских прибрежных и островных районах.

В рамках первого тематического направления представлены главы, посвященные:

• наблюдению за океаном и навигации,
• зарядке подводных аппаратов,
• аквакультуре,
• выращиванию морских водорослей и
• добыче полезных ископаемых и газов из морской воды.

Хотя все эти рынки, по мнению составителей отчёта, потенциально жизнеспособны, некоторые из них более краткосрочны, чем другие. Сферы представлены в порядке значимости морской энергетики для обеспечения жизнеспособности соответствующего сектора рынка.

Второе тематическое направление отчёта посвящено устойчивым прибрежным и островным сообществам (в том числе, военным базам).  В рамках этой темы представлены главы об:

• опреснении морской воды,
• отказоустойчивости и аварийному восстановлению прибрежных поселений, а также
• изолированных, в масштабе сообщества, энергосистемах.

Для каждого рынка в рамках этих тем выделена отдельная глава, посвященная исследованию требований к электропитанию, тенденциям рынка, существующим технологиям, географической значимости, ценовым предложениям для морской энергетики и потребности в дальнейших исследованиях.

Таким образом, в отчёте выделены восемь основных сфер применения морских возобновляемых источников энергии.

1. Наблюдение за океаном и навигация

Существуют интегрированные сети океанических датчиков и средств навигации для мониторинга океанографических условий и обеспечения безопасной навигации. Океанографические и метеорологические инструменты контролируют состояние океана в реальном времени и помогают метеорологам улучшить прогнозы погоды. Эти датчики также улучшают нашу способность обеспечивать раннее предупреждение об экстремальных прибрежных явлениях, таких как ураганы, обратные течения и цунами. Технические средства навигации помогают судоводителям прокладывать безопасные пути, что способствует снижению ущербов. Все эти средства имеют в своём составе электротехническое оборудование, требующее питания.

По данным портала «Новости морских технологий» (Maritime Technology News) мировые продажи навигационных и геодезических инструментов в период с 2001 по 2011 года, увеличились с 7,5 до 16 миллиардов долларов. Пока, только часть этих инструментов используется в морских системах мониторинга или навигационных средствах. Спрос на информацию об океане в основном поступают от клиентов из Министерств обороны, нефтегазового и исследовательского сообществ, которые хотят лучше понять окружающую среду океана и её взаимодействие с искусственными системами.

По мере того, как мы всё активнее вступаем в цифровую эпоху,  постоянно растет необходимость сбора разнообразных данных. Ожидается, что и потребность в более мощных датчиках и инструментах в океане, также увеличится.

Значительное увеличение количества систем наблюдения и мониторинга океана в сочетании с желанием получать данные в реальном времени, приводит к увеличению требований к их мощности. Из-за удаленного расположения эти системы, для питания своих инструментов и оборудования, обычно полагаются на производство или накопление энергии на месте.

Возобновляемые источники энергии могут удовлетворить эти потребности. Морская энергетика может стать источником энергии приборов для наблюдения за океаном на глубине, в высоких широтах, зимой или ночью, во всех областях, в которых другие технологии возобновляемой энергетики ограничены. Морская энергетика может обеспечить уникальный подход для таких миссий и, невозможный ранее, уровень сбора данных.

2. Автономная подзарядка подводных аппаратов

Автономные и беспилотные подводные аппараты используются для различных целей. В гражданском секторе эти аппараты используются для наблюдений за океаном, мониторинга морского дна и подводных сооружений, научных исследований. В военном — для целей обороны и безопасности, например, обнаружения мин и доставки полезной нагрузки на подводные объекты.

Эти аппараты бывают разных форм и размеров, от конструкций размером с футбольный мяч до других, величиной с автобус и весом несколько тонн. Большинство этих аппаратов для обеспечения питания всех бортовых электрических систем, включая датчики, навигацию, двигательную установку и связь, полагаются на бортовой источник питания. Из-за ограниченности емкости батарей, возможности таких аппаратов обычно ограничены по дальности и продолжительности пребывания под водой.

За последние несколько лет был разработан ряд конструкций подводных док-станций  (от англ. Docking station — «стыковочная станция»). Эти объекты можно использовать для подзарядки подводных аппаратов непосредственно под водой. Но и самим док-станциям, всё ещё, необходим постоянный источник энергии.

Мировой рынок подводных аппаратов оценивается в 2,6 млрд. долларов США и, как ожидается, удвоится к 2022 году. Рынок подзарядки подводных аппаратов, который включает зарядные станции и сопутствующую инфраструктуру, не развит и потому не оценён. Однако, ожидается, что и его доля будет расти, хотя и меньших масштабах.

За последние несколько лет новые инвестиции на этом сегменте рынка были связаны в основном с оборонной промышленностью. Но нефтяная и газовая промышленности также способствует росту.

Подводные, заправочные док-станции в настоящее время разрабатываются, но не стандартизированы. Надёжные морские источники возобновляемой энергии могут обеспечить их электроэнергией местного производства. Это снизит потребность в частом подъёме аппаратов на поверхность; уменьшит их зависимость от вспомогательных судов и экипажей; повысит безопасность; увеличит продолжительность миссий, их дальность и возможности сбора данных; снизит выбросы углерода.

3. Аквакультура в открытом море

Аквакультура — это выращивание рыб, моллюсков, ракообразных и морских водорослей в море, в первую очередь, для потребления людьми. Дополнительные рынки — корма для животных и сырьё для химической промышленности. Методика разведение и вылова варьируются в зависимости от вида. Рыб выращивают в больших загонах из сетей на море, устриц — на висячих в устьях рек веревках. Тип аквакультуры будет определять потребности в энергии для этих систем.

Энергетические потребности морской аквакультуры включают питание навигационных огней, производство сжатого воздуха для технологических операций, обеспечение работы охлаждающих установок и, возможно, даже поддержка систем жизнеобеспечения экипажей (например, обеспечение светом и теплом) для крупных аквакультурных хозяйств.

Этот рынок по прогнозам уже в 2020 году составит более 55 миллиардов долларов. Большая часть этого роста наблюдается в Азиатско-Тихоокеанском регионе, в таких странах, как Китай и Индия. Но ожидается, что рынки в других странах также будут расти по мере роста из населения. В Соединенных Штатах оффшорная аквакультура — это зарождающаяся отрасль. Однако, её развитие активно стимулируется ежегодным дефицитом в торговле морепродуктами, составляющим примерно 14 миллиардов долларов.

Важная отраслевая тенденция — желание перенести объекты аквакультуры подальше от берега — может предоставить большие возможности для морской энергетики. (Хотя идеальные условия для морской аквакультуры не оптимальны, для морских систем преобразования энергии).

Электроэнергия для морской аквакультуры обычно вырабатывается дизельными генераторами. Лишь иногда – солнечными панелями с аккумулятором. В случае замены ископаемого топлива возобновляемой морской энергией отрасль аквакультуры может стать более устойчивой. При этом снизится вероятность потенциального вреда для качества воздуха и воды вследствие различного рода выбросов и разливов нефтепродуктов.

4. Выращивание морских водорослей

Морские водоросли относятся к разнообразной группе организмов, включая макроводоросли, микроводоросли и цианобактерии («сине-зеленые водоросли»). Макроводоросли и некоторые микроводоросли можно выращивать в коммерческих масштабах в море для производства биотоплива, кормов для животных, сырья для косметики и фармацевтики и других побочных продуктов. Микроводоросли и макроводоросли имеют высокие уровни структурных полисахаридов и низкие концентрации лигнинов, которые могут быть использованы в качестве сырья при производстве жидкого биотоплива. Многие виды водорослей содержат органические химические вещества, которые используются во многих промышленных и сельскохозяйственных процессах, от обработки пищевых продуктов до добавления кормов для животных. Хотя существующие небольшие фермы нуждаются лишь в небольшой мощности, для производства биотоплива предполагается создание крупных морских ферм.  Для них потребуется энергия для сбора урожая, сушки, мониторинга и технического обслуживания, а также для маневрирования и средства контроля плавучести для сельскохозяйственных структур.

Выращивание морских водорослей быстро растет и сейчас практикуется примерно в 50 странах. Вероятно, в ближайшие годы интерес к выращиванию морских водорослей будет расти и вследствие того что, выращивание водорослей являются эффективным средством связывания углерода.

Морская энергетика может быть интегрирована в системы выращивания и сбора морских водорослей для удовлетворения потребностей в электроэнергии. Морские энергетические устройства, особенно устройства утилизирующие энергию волн, могут иметь преимущество по долговечности по сравнению с другими возобновляемыми и ископаемыми источниками энергии из-за их морской конструкции. Это обеспечит уникальные возможности для ведения сельского хозяйства в море.

5. Добыча полезных ископаемых и газов из морской воды

Морская вода содержит большое количество минералов, растворенных газов и определенных органических молекул. Эти элементы и соединения равномерно распределены в океане, хотя и в более низких концентрациях, чем в наземных месторождениях. Особый интерес представляют литий, уран и водород. Все они уже извлечены или производятся из морской воды в ходе многочисленных лабораторных испытаний.

Для извлечения минералов и элементов из морской воды разработаны два метода: пассивная адсорбция и менее распространенный электрохимический процесс. Газы, такие как углекислый газ, водород и кислород могут быть получены электролитическим способом непосредственно из морской воды.

Мощность, необходимая для каждого метода, различается. Методы пассивной адсорбции, вероятно, потребуют меньше мощности чем, например, электролитический процесс. Возможные варианты использования энергии в этих приложениях включают развертывание и извлечение длинных пленок адсорбента, извлечение элементов с помощью электрохимических механизмов или электролизом, перекачивание морской воды, питание оборудования безопасности и мониторинга, а также питание оборудования или технологии, необходимой для удаления элементов из адсорбирующего материала.

Большинство систем, которые могут извлекать минералы из морской воды, находятся на ранних стадиях разработки. Но эти работы сильно стимулируются критически большим спросом на их конечные продукты. Спрос на промышленно важные минералы, такие как литий и редкоземельные минералы, будет продолжать расти с увеличением использования бытовой и промышленной электроники.

Поскольку этот рынок всё ещё находится на стадии становления, неясно, как именно морская энергетика может обеспечить себе максимальную ценность. Тем не менее, — поскольку нет источников энергии, которые необходимо заменить — для морских энергетических технологий существует возможность обеспечить себя преимуществами  первопроходца.  Морская энергетика может иметь некоторые уникальные преимущества, по сравнению с солнечной и ветровой, для операций добычи полезных ископаемых и газов из морской воды на море, такие как низкопрофильная инфраструктура для повышения живучести и уменьшения визуальных воздействий.

6. Опреснение морской воды

Опреснение — это процесс, при котором из морской воды удаляются соли и другие минералы. Наиболее распространенный метод опреснения морской воды —  обратный осмос.

По данным Global Water Intelligence (GWI) этот рынок  в 2020 году только в США достигнет 344 миллиона долларов капитальных затрат и 195 миллионов долларов операционных расходов. И продолжит расти  по мере увеличения потребности в воде и ее нехватки.

В мировом же масштабе рынок опреснения морской воды, как ожидается, превысит 4,5 миллиарда долларов капитальных затрат и примерно 3,8 миллиарда долларов операционных расходов.  

При этом самым большим компонентом операционных расходов —  составляющим примерно 36%  — при опреснении морской воды является потребление энергии.

В настоящее время рынок опреснённой воды составляет лишь небольшую часть от общего потребления воды, но каждые пять лет он увеличивается примерно на 20% (GWI, 2016).

Существует два основных сегмента рынка опреснения воды: водоснабжение и изолированные или мелкомасштабные распределенные системы. Для работы крупномасштабных опреснительных систем с производительностью в десятки миллионов галлонов опресненной воды в день требуются десятки мегаватт. Малогабаритные системы различаются по размеру от десятков до сотен киловатт и обеспечивают от сотен до тысяч галлонов воды в день.

Изменение погодных условий и рост населения создают всё большую нагрузку на существующие системы водоснабжения; оба этих фактора будут способствовать повышению интереса к опреснению морской воды для устранения дефицита.

Технологии, использующие энергию волн или приливов, могут быть использованы для непосредственного повышения давления морской воды для обратного осмоса.

Морские энергоресурсы изначально расположены вблизи потенциальных источников опреснительной воды и населения, сконцентрированного вдоль побережья. Поэтому в районах с ненадежными сетями или водной инфраструктурой предприятия по опреснению морской воды могут получать выгоду от морских энергетических систем, как в виде электроэнергии, так и в виде пресной воды. В долгосрочной перспективе морская энергетика обеспечит и крупные муниципалитеты недорогой питьевой водой независимо от капризов погоды.

7. Отказоустойчивость и аварийное восстановление прибрежных поселений

Прибрежные районы часто подвергаются экстремальным явлениям природы, таким как цунами, тропические штормы и наводнения. Для них особенно важны профилактические работы для уменьшения возможного ущерба. Можно усилить естественную защиту, такую ​​как пляжи и болота, создать микросети с распределенными источниками энергии. Эти действия помогают уменьшить ущерб и повысить устойчивость.

Бедствия же могут прервать снабжение таких поселений пресной водой и электричеством. При этом возникает необходимость в доставке гуманитарной помощи и чрезвычайных поставок чистой воды и электричества в период до восстановления нормального функционирования коммунального хозяйства.  Ограничения доступа к основным услугам могут длиться от нескольких дней до месяцев.

Повреждения береговой линии из-за эрозии и наносов после сильного шторма, часто подвергают опасности прибрежные дома, вызывая косвенные воздействия, такие как миграцию населения и риски для здоровья людей.

В США расходы на готовность к бедствиям и восстановление инфраструктуры постоянно увеличивается. С 2005 года средние федеральные расходы на восстановление в процентах от общего ущерба, наносимого ураганами увеличились на 62% (PolitiFact 2017)  

Морская энергия способствуеть обеспечению готовности к экстремальным явлениям и восстановлению. При строительстве новых прибрежных укреплений, таких как волнорезы или дамбы, морские энергетические устройства могут быть интегрированы в конструкцию.

Такой подход повышает выгоды инфраструктуры, обеспечивая как убежище, так и производство электроэнергии.

В некоторых районах можно было бы использовать морские энергетические системы для транспортировки песка или отложений для пополнения запасов пляжей и смягчить эрозию. В качестве распределенного энергетического ресурса морские энергетические системы могут вносить вклад в прибрежную микросеть, добавляя большую диверсификацию генерирующих активов и снижая вероятность полного отключения электроэнергии в случае массовых отключений сети. После катастроф морские энергетические технологии можно использовать для обеспечения опресненной водой или электричеством отдаленных прибрежных районов, которые особенно трудно обслужить в чрезвычайных ситуациях.

8. Изолированные энергосистемы

Не каждое сообщество имеет доступ к надежной электросетевой инфраструктуре. Во многих отдаленных районах сообщества полностью изолированы от сети и должны найти другие способы выработки электроэнергии. В Соединенных Штатах есть сотни изолированных сообществ. В первую очередь на Аляске и островных территориях, которые имеют микросети мощностью от 200 киловатт до 5 мегаватт и более. На международном уровне таких сообществ намного больше.

Все изолированные системы частично или полностью используют дизельные генераторы. Хотя дизельное топливо является энергоемким и обеспечивает электроэнергию по запросу, но и создает эксплуатационные и логистические проблемы. Например, отдаленные сообщества на Аляске каждый год зависят от нескольких оптовых поставщиков топлива, которые подвержены сбоям в цепочке поставок и волатильности цен на топливо. Это приводит к тому, что затраты на энергию на Аляске выше, чем в среднем по стране.

В исследования рассматривались только те сообщества, для которых  требовалась нагрузка ниже 5 мегаватт и которые не были подключены к крупным региональным сетям. Изолированные сообщества с этими пороговыми показателями только в США представляют собой совокупный рынок более 70 мегаватт (Alaska Energy Authority 2016a). Рынок США включает примерно от 175 до 300 небольших сообществ на Аляске, десятки островов в южной части Тихого океана и в районе Новой Англии. Кроме того, Министерство обороны США управляет множеством военных объектов и застав в Тихом и Индийском океанах.

(К этой группе потребителей относятся и многочисленные оффшорные и автономные нефтяные платформы в море. Но в исследование они не включены, так как потребляемая ими мощность превышает оговорённый в исследовании порог в 5 МВт. Для проведения буровых работ и жизнеобеспечения экипажей морской нефтяной платформе требуется мощность порядка 35 МВт. Две трети от этого количества составляет электроэнергия и одна треть тепло. Этот сектор изолированных энергосистем также является перспективным и крупным для использования морских возобновляемых источников энергии. (дополнено мной – автор)).

Международный рынок изолированных энергосистем намного больше. Он включает тысячи небольших островных и отдаленных прибрежных поселений. В одной только Индонезии 13 000 сельских общин до сих пор проживают без коммунальных услуг (GE Reports Staff 2017).

Морские энергетические технологии могут оказать неоценимую помощь изолированным общинным микросетям, вблизи которых имеются морские или речные ресурсы, обеспечив долгосрочную стабильность цен на энергоносители, избавление от необходимости закупать и транспортировать топливо и снижение рисков загрязнения территории.

Более того, морские энергетические устройства обычно имеют меньшую изменчивость в их профилях генерации в краткосрочной и долгосрочной перспективе, что упрощает интеграцию с другими системы. Наконец, морская энергия диверсифицирует ресурсы генерации и создает более надежную систему, повышающую устойчивость изолированных сообществ, при угрозе экстремальных явлений.

© Игорь Шпинёв