我们的能源未来：海洋可以满足我们所有的能源需求吗？

除潮汐能外，到目前为止，我们的重点一直放在陆基能源上。同时，海洋吸收了太阳入射能量的很大一部分，产生了热梯度，洋流和被风刮起的波浪。让我们对这些资源的能量学进行一些评估，看看是否可以寻求他们的帮助。我们已经准备好了三个盒子：丰富，有力和利基（微弱）。是时候进行一些排序了！

热梯度

无论何时出现热梯度，我们的眼睛都会发光，因为我们可以在整个梯度上产生热量流并捕获一部分能量流以完成有用的工作。这称为热机，其效率受理论最大值（Th Tc）/​​ Th的限制，其−中“ h”和“ c”下标分别表示热库和冷库的绝对温度。在海洋中，我们在可用梯度多少方面受到很大限制。表面的趋势往往不会°超过30C（303 K），而深度不能比0C（273 K；°压力和盐度允许它降低几度）更低。因此，最大热力学效率最高可达10％，在实际应用中，我们可能会得到其中的一半。从海洋中的热梯度产生能量的一般方案称为海洋热能转换（OTEC）。

OTEC潜力

有多少能量可用？首先，水在存储热能方面非常有效，每升每度可填充4184焦耳（千卡的定义）。因此，从30摄氏度的立方米水中提取热量（将°其保持在0℃）代°表125 MJ能量。以5％的效率转换为电能，我们需要每秒处理160立方米，以产生1 GW的标准发电厂输出。请记住，我们的数据使用的是最极端的温差。鉴于升高的地表温度仅存在于最高100 m的水（在温跃层以上）中，因此我们必须每秒咀嚼²1.6 m的海洋面积以制造千兆瓦。一天之内，我们在一侧转换了370 m的正方形补丁。

但这并不能维持多少电量。毕竟，热能来自太阳能输入。在热带地区，我们可能期望一片海洋平均接收250 W ²/ m的阳光。每年需要为一侧的9平方公里的正方形区域重新充电1 GW的电量（抽取效率为5％：其余95％作为废热在接近0C时倾入深处）。°该图忽略了与空气的热交换，因为空气与水之间的每C差在5-20² W° / m的范围内。此外，在晴朗的天空中，辐射损耗将达²到150 W / m。近似这些影响以产生净保留的100 ²W / m的热量，我们需要我们的年平方在一边大约为14 km。

我们提供²1 GW“电厂”所需的200 km乘数乘以13,000，即可达到13 TW全球需求。那是与印度尼西亚群岛的土地面积可比的面积：新几内亚，婆罗洲，苏门答腊岛等（希望在温水中采摘东西以凝视地图）。显然，我们拥有海洋空间。因此，我们将OTEC放入“丰富的”盒子中。它基本上是太阳能的一种形式，效率高达5％，可在全球大部分地区使用。因此，它应该足够丰富并不令人感到意外。

我没有考虑蒸发冷却，这可能非常重要。但是将全部资源从丰富的盒子中剔除将很难。粗略地说，总太阳能预算的一半到达地面，其中约70％被海洋吸收，占总数的35％。同时，蒸发占太阳能预算的23％，有效地减少了所沉积热能​​的2/3咬合。因此，我们需要像海洋中的澳大利亚地区这样的东西。就像我说的那样-仍然丰富。

比较每日的体积/面积与补给面积，我们计算出一个有趣的时间尺度：4年换句话说，如果我们在一侧可以产生1 GW OTEC功率的一侧隔离14 km的海洋，那么将需要4年的时间来处理整个体积（深度超过100 m）。这肯定比一年充电时间长，这可以确保季节性变化和充分混合。

OTEC皱纹

上图显示了我们30C假设有效的°区域。这些地区往往不会接近主要需求。如果我们想将OTEC工厂停在温带地区的岸边，则会发生几件事。温度差和因此的热存储量明显减少（大约减少了两倍）。热力学效率同样达到两个目标。高纬度地区的暖层较浅（例如两倍）。净效果是每1 GW OTEC工厂的水处理面积增加8倍。同样，用于收集太阳能的面积也增加了–几乎增加了两倍，以减少日照，增加了两倍，以降低效率。

由于产生的能量是T的二次函数，Δ所以在冬天，温带的OTEC工厂会受到严重损害。在美°国沿海40度纬度处，我计算出大西洋和太平洋的冬季产量都是夏季的40％。

在海水中运营和维护海上发电厂，将电力传输到陆地，应对暴风雨和其他不幸是严峻的挑战。OTEC降低了收集太阳能热能的效率低下，操作困难的方法。似乎最好在阳光充足的地区获得15％的太阳能热电厂。我不确定在有更好（更便宜）的方法来收集太阳丰富能量的情况下，为什么我们在OTEC上浪费时间。OTEC在不必构建收集器以及在流体输送系统中具有一些优势，但这似乎是一个很小的优点，但又克服了操作上的缺点。OTEC应该在丰富的包装盒中占据一席之地，但是实用性限制了它的可能作用。

洋流

与金枪鱼曾经被称为“海洋的鸡”一样，洋流也就是“海洋的风能”。回顾流体流的动能为Av，½ρ其³中为ρ流体的密度，A为收集转子描述的面积，v为流体的速度，我们注意到水的密度约为800倍空气。大分数！但是速度趋于变小，并且具有三次方将其击退的能力。大洋中流可能达到2节或1 m / s。与10 m / s（22 m.p.h.）的风速相比，每转子面积的功率降低了1000倍。因此，我们回到了风中。

我们的海洋面积比陆地面积大得多。而且，我们在海洋中的约束不像在陆地上那样使涡轮机靠近水面，因此我们可以利用更多的垂直空间（到某个点）。洋流往往被限制在400米高的水域内，因此深度增益仅为风能获得的2到3倍。从好的方面来说，我们注意到洋流要稳定得多/更健壮，因此我们不会因太阳能和风能引起的间歇性困扰。总而言之，风进入了“强势”区域，因此洋流至少应获得该额定值，当然不包括实用性。

我们自然会首先想要利用夹点（海峡，狭窄的入口等），这些夹点的电流可能高达5 m / s，现在与10 m / s的风车相比，其提供的功率是风车的100倍。但是由于潮汐波动而不是稳定的流量，在这些紧要关头的电流往往很大，因此只是利用了潮汐能收支-以前被认为是利基来源。在一定程度上存在稳定电流的夹点，它们是水下涡轮机定位的自然选择，但是此类场所很有限-特别是在面积方面，或者它们不是“捏”点-因此可用的总功率很小。

有选择吗？

我们看到，给定的转子区域无论是在开阔的洋流中还是在中等风中的陆地上，都将提供可比的功率。现在，我问您：将大型涡轮机放在陆地上还是海上倒置是否更容易/更便宜？考虑维护途径，盐水腐蚀，电力传输，所有瘀伤的鱼等。

波能

我们大多数人都惊叹于海浪冲入海滩，码头或岬角的威力。与太阳能或风力发电不同，它足以使我们震惊。以及所有这些海岸线-当然是赢家！

波能

波浪代表第三串太阳能：太阳能被陆地和海洋吸收，使空气中的热梯度产生风。然后，风将水推到水面上，形成波浪。风浪相互作用是自我增强的：波浪停留的频率越高，风向其倾泻的能量就越大。到达海岸线的许多海浪都是在大洋彼岸的风暴中产生的。

地球吸收约120,000 TW的太阳能（未直接反射）。最终约有1％被风吹散（1200 TW）。其中，约5％（60 TW）用于产生波。其中一些自身进行了对抗（对抗海浪），一些海浪能量通过黏性和湍流自行消散，还有一些在浅水（例如群岛周围）被吞噬而没有登陆。所有这些因素都会以接近陆地的波能量减少。我可能会猜测，我们收到的东西与我们在海岸的13 TW全球需求相当。

我想对自己进行一次全面的评估，看看这些数字是否有意义。假设每10秒钟到达2 m高的波（波谷到波峰），以3 m / s的慢跑速度传播。因此，波之间相距30 m。这样，每米波前的体积约为30立方米（对于正弦形状，平均高度为波谷上方1 m）。槽上方的重力势能mgh为225 kJ，动能mv½为²135 kJ。如果我们能够捕获所有这些能量，我们将每10秒收集360 kJ，或者每米海岸线收集36 kW功率。与太阳能或风能密度（分别约为200和30 W / m）相比，²这听起来像是一个巨大的数字：36,000 W / m。但是，分母的长度是线性的而不是正方形的事实造成了巨大的差异。地球比海岸线的线性米要多得多。

幸运的是，我的数字与通过在Google中搜索“波浪能势图”可以找到的值进行了很好的比较。因此，如果能够以100％的效率捕获所有能源，那么2000公里的海岸线可能会产生70吉瓦的净电量。然后，美国48个较低的州可能会向冲浪者带来200 GW左右的波浪电，相当于国内总电力需求的7％。最近的一份报告将加利福尼亚州1800公里海岸线上的波浪能以每年140 TWh的速度计算出来，平均达到16 GW，远远低于我的愚蠢计算。

毫不畏惧，在全球范围内，我将粗略估算出有足够的海岸线可以绕地球两次—考虑到并不是所有的海岸线都面临盛行的浪潮，因此会受到惩罚。随你。海岸线长达80,000公里。以35 kW / m的速度发展时，我们得到了2.8 TW，约占全球需求的20％。

Google进行了快速搜索，显示出2 TW，3.5 TW和1-10 TW的全球波浪功率估算值：大致与我的粗略估算一致。

在盒子里挥手

这些数字迫使我将波浪能放在“利基”框中，因为我的“有力”标准是能够充分发展满足我们四分之一需求的能力。它可能算得上是有力的，但却是边界。60 TW的波能总耗散到哪里去了？一点点挖掘表明，一半的人在深水破坏中损失了（想像南半球的“′咆哮的五十年代”）。其余部分则由于波湍流相互作用和底部摩擦而丢失。在向地面输送波能方面，效率似乎比我所欣赏的更大。

共同的小动物

我们在这里讨论的三种能源中的每一种都需要将能源转换设备放置到海中。我已经看到了沉没的船在几十年后的样子。从某种意义上讲，它们是美丽的-充满着丰富多彩的生活-但是，如果功能更重要，则没有那么多。我不禁想到我们投入海上的能源基础设施的维护成本。

洗了吗

海洋覆盖了地球面积的72％，吸收了大量的太阳能作为热量，以巨大的传送带在全球范围内移动，并在其波浪中捕获了一部分风能。海洋热在丰富的盒子中占有一席之地，洋流很容易满足有效标准-大于风势，而海浪则没有进入利基盒子。这三种形式的海洋能都只是增加了替代性的发电方法，它们对热量无用或直接用作运输燃料。

此外，只有波浪能方便地传递到我们的海岸。实际上，只要其他大型能源选择（太阳能光伏，太阳能，热能，风能，核能）仍然更方便，用于捕获海洋热能和洋流能的扩展设施就越不可能超越实用性。是的，尽管复杂，但我仍然认为核能比海洋技术更容易实现大规模生产。陆地上的任何东西都会立即对我的书有所帮助。

从这个意义上讲，海洋能（很像太空中的太阳能或土卫六上的甲烷池）对我来说更属于“那么”类别。当然，它在那里，我很高兴地说它甚至很多。但是实用性可能会阻止我们大范围地追求它-至少在短期内，当我们面临从化石燃料的重大转变时。波浪能不太实用，但是鉴于总的可用功率很小，我看到的各种各样的技术让我印象深刻。

因此，当我寻找不应该担心自己的能源未来的原因时，在寻找大海时，我几乎找不到慰藉。好吧，下周见核聚变。不完全是。

通过。汤姆·墨菲

这是汤姆·墨菲（Tom Murphy）的特邀帖子。汤姆是加利福尼亚大学圣地亚哥分校的物理学副教授。这篇文章最初出现在汤姆的博客《做数学》中。