На гребне волны
По оценке океанолога Уэйна Райта из Центра NASA имени Уоллопса, энергоемкость верхних слоев Мирового океана столь высока, что если человечество научится превращать в вольты и амперы хотя бы тысячные доли процента кинетической энергии волн, то проблема электрического голода будет решена раз и навсегда. Эксперты международной организации World Energy Council полагают, что извлекаемый потенциал прибрежной волновой энергетики составляет от 2 до 4 ТВт*ч (10-20% мирового потребления энергии). В отдельных районах США, России, Великобритании, Японии, а также на юге Австралии, Африки и Южной Америки каждый метр (!) линии прибоя ежегодно может давать 100 — 200 МВт экологически чистого электричества. Перспективы промышленной генерации в открытом море и вовсе поражают воображение. Речь в этом случае может идти не о единицах, а десятках тераватт в год.
Можно ли подключить океан к розетке? Конечно, можно. Технологии для этого уже созданы.
Их несколько десятков, но наиболее эффективными эксперты считают две концепции, использующие цикличные колебания поверхности моря: генераторы-поплавки различной конфигурации, и «морские змеи» — горизонтальные генераторы, состоящие из трубных секций с упругими сочленениями.
Самые удачные версии поплавков и «морских змеев» делают в Британии. Около года назад компания Ocean Power Technologies (OPT) анонсировала начало серийного производства гигантских 42-метровых буев PowerBuoy PB150 мощностью 150 кВт, созданных в кооперации со специалистами корпорации Lockheed. Принцип работы PowerBuoy PB150 прост: во время качки верхний поплавок перемещает длинный шток-ротор, который, в свою очередь, скользит внутри обмотки статора и возбуждает в ней ток. Каскад из сотен подобных буев фиксируется на дне якорной системой, а выработанная энергия передается на берег по подводному силовому кабелю. Гарантийный срок работы буя составляет 25 лет, но, по словам инженеров компании, реальный моторесурс механизма вдвое выше. Весной этого года OPT завершила испытания PB150 в Северном море и приступила к возведению двух промышленных ферм – 1.5 МВт на западе США и 19 МВт в Австралии.
Два других интересных поплавковых проекта-близнеца предлагают компании Ecotricity и Carnegie Wave Energy. В отличие от буя-генератора, установки Searaser и CETO, производят не электричество, а поток морской воды с колоссальным давлением. Конструктивно они представляют собой закрепленные на дне поршневые насосы, приводимые в действие колебаниями воды. Электрическая часть системы находится на берегу. В зависимости от нагрузки на местные сети, вода может либо подаваться на генератор с ковшовой турбиной, либо закачиваться в гидроаккумулирующий бассейн. В схеме CETO предусмотрена еще одна опция – мембранная опреснительная установка, весьма актуальная для засушливых районов Австралии. Ecotricity начнет монтаж первой волновой фермы только в 2014 году, а Carnegie Wave Energy уже приступила к строительству генератора на базе ВМФ Австралии Стирлинг близ Перта.
Прошедшим летом в фазу реализации вступил еще один инновационный проект. При поддержке правительства Шотландии и Европейского центра по морской энергетике (EMEC) в акватории фьорда Пентланд был создан морской энергопарк для испытаний всевозможных волновых систем. Компания Pelamis Wave Power из Эдинбурга совместно с энергетическими гигантами E.ON и ScottishPower начала в Пентланде обустройство настоящей «змеиной фермы» из 250 генераторов Pelamis P2. Pelamis P2 – это огромная стальная труба, состоящая из 5 секций, наполненных балластной водой, и соединенных в единое целое шарнирами-рычагами.
Качание секций на волнах приводит в действие поршни гидронасосов, которые нагнетают рабочую жидкость на лопатки турбины. Хвостовые секции «рептилий» швартуются тросами к морскому дну и соединяются с донным трансформатором силовым кабелем. Один Pelamis P2 способен обеспечить энергией и теплом более 500 частных домов. По расчетам, 1 кВтч «змеиного» электричества будет одним из самых дешевых на рынке энергии. Не в последнюю очередь за счет высочайшей надежности, мизерных затрат на обслуживание и эффективной работе даже на очень слабой волне.
Физика и химия
Но волны – далеко не вся энергия океана. Сотни тераватт электричества можно извлекать из разницы температур между теплой поверхностью и ледяными глубинами в тропическом поясе планеты. Например, только в водах Тайваня потенциал температурного градиента оценивается в 30 ТВт (вдвое больше, чем сегодня потребляет человечество). Основы метода OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) были описаны еще в 1881 году биофизиком Жаком Д’Арсонвалем и заключаются в использовании высокой температуры верхнего слоя океана (25-28°С) для генерации перегретого пара из легкокипящих жидкостей – аммиака, нашатырного спирта, пропилена и т.д. Под давлением 10 и более атмосфер эти вещества вскипают уже при 17-19°С и, при расширении способны эффективно вращать турбины. Холодная вода (3 -4°С), поднятая с глубины 1000 м применяется для конденсации отработанного пара.
Первая лабораторная модель OTEC была создана американцем Андерсоном в 1964 году. Но только нефтяной кризис семидесятых заставил правительства обратить внимание на эту технологию. В 1972 году инженеры Lockheed по заказу ВМФ США разработали сразу несколько типов установок OTEC, а годом позже для глубокого изучения OTEC в Японии был основан целый университет. В 1974 году на Гавайях компании Lockheed, Dillingham и Makai построили первую промышленную станцию мощностью 50 кВт и с тех пор исследования в этой области расширяются с каждым годом. И, хотя, по прогнозам главы программы OTEC корпорации Lockheed Роберта Варли, масштабная генерация энергии из температурного градиента океана начнется лишь через 20 лет, уже в ближайшие годы в мире появится дюжина станций мощностью 50–100 МВт. Так, к 2015 году Lockheed запустит на Гавайях 100-мегаваттную установку, а французская DCNS Group введет в строй первую очередь аналогичного проекта у берегов Мартиники.
Несмотря на то, что КПД процесса преобразования температурного градиента в электричество составляет всего 6-7%, станции OTEC производят массу чрезвычайно полезных «побочных продуктов». Помимо выработки электричества, станции OTEC можно использовать для опреснения воды и промышленного производства водорода. А на Гавайях холодную воду, поднятую с глубин, успешно используют в централизованных системах кондиционирования зданий, а также выращивают с ее помощью более дюжины «северных» овощей и фруктов на открытых плантациях с принудительно охлаждаемым грунтом. В искусственных бассейнах с глубинной водой, богатой планктоном, превосходно размножаются лосось, тунец, лобстеры и ценные виды водорослей. В целом же, каждые 10 МВт мощности будущих станций OTEC смогут обеспечить прибрежной экономике дополнительные 100 млн. долларов валового продукта и от 500 до 1000 новых рабочих мест.
Ну и, наконец, совершенно неожиданный способ использования морской воды в качестве энергоносителя был разработан группой американских химиков из военной лаборатории NRL в конце прошлого десятилетия. В сентябре 2012 года они продемонстрировали первый в мире аппарат для извлечения из морской воды растворенного в ней углекислого газа и водорода, и последующего превращения этих компонентов в жидкое углеводородное топливо. Сам аппарат удивительно прост, а принципы его работы базируются на элементарной электрохимии и известном с 30-х годов прошлого века процессе Фишера-Тропша (технологии синтеза сложных углеводородов из угарного газа и водорода при высокой температуре, давлении и отсутствии кислорода). Интересно, что себестоимость литра экологически чистого «морского» керосина, соответствующего по характеристикам сорту JP-5, по словам руководителя проекта профессора Хизер Виллауэр, получается почти такой же, как и у обычного «нефтяного».