Энергия приливов и отливов. Несоизмеримо более мощным источником водных потоков являются приливы и
отливы. Подсчитано, что потенциально приливы и отливы могут дать человечеству
примерно 70 млн. миллиардов киловатт-часов в год. Для сравнения: это примерно
столько же энергии, сколько может дать использование в энергетических целях
разведанных запасов каменного и бурого угля, вместе взятых; вся экономика США 1977 г. базировалась на
производстве 200 млрд. киловатт-часов, вся экономика СССР того же года - на
1150 млрд., хрущевский "коммунизм” к 1980 г. должен был быть построен на 3000 млрд.
киловатт-часов. Образно говоря, одни только приливы могли бы обеспечить
процветание на Земле тридцати тысяч современных "Америк” при максимально
эффективном использовании приливов и отливов, но до этого пока далеко. Проекты
приливных гидроэлектростанций детально разработаны в инженерном отношении,
экспериментально опробованы в нескольких странах, в том числе и на Кольском
полуострове. Продумана даже стратегия оптимальной эксплуатации приливной
электростанции (ПЭС): накапливать воду в водохранилище за плотиной во время
приливов и расходовать ее на производство электроэнергии, когда наступает "пик
потребления” в единых энергосистемах, ослабляя тем самым нагрузку на другие
электростанции. На сегодняшний день ПЭС уступает тепловой энергетике: кто будет вкладывать
миллиарды долларов в сооружение ПЭС, когда есть нефть, газ и уголь, продаваемые
развивающимися странами за бесценок? В тоже время она обладает всеми
необходимыми предпосылками, чтобы в будущем стать важнейшей составляющей
мировой энергетики, такой, какой сегодня, к примеру, является природный газ. Для сооружения ПЭС даже в наиболее благоприятных для этого точках морского
побережья, где перепад уровней воды колеблется от 1-2 до 10-16 метров, потребуются
десятилетия, или даже столетия. И все же процент за процентом в мировой
энергобаланс ПЭС могут и должны начать давать уже на протяжении этого столетия. Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье
реки Ранс, впадающей в пролив Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов
составляет 8.4 м.
Открывая станцию, президент Франции Шарль де Голль назвал ее выдающимся
сооружением века. Несмотря на высокую стоимость строительства, которая почти в
2.5 раза превосходит расходы на возведение речной ГЭС такой же мощности, первый
опыт эксплуатации приливной ГЭС оказался экономически оправданным. ПЭС на реке
Ранс входит в энергосистему Франции и в настоящее время эффективно
используется. Существуют также проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт
(Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать
также огромный энергетический потенциал Охотского моря, где местами, например в
Пенжинской губе, высота приливов достигает 12.9 м, а в Гижигинской губе
- 12-14 м
. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских
приливов связаны с возможностью применения геликоидной турбины Горлова, которая
позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на строительство. 2.7 Энергия волн. Уже инженерно разработаны и экспериментально опробованы высокоэкономичные
волновые энергоустановки, способные эффективно работать даже при слабом
волнении или вообще при полном штиле. На дно моря или озера устанавливается
вертикальная труба, в подводной части которой сделано "окно”; попадая в него,
глубинная волна (а это - почти постоянное явление) сжимает воздух в шахте, а
тот крутит турбину генератора. При обратном движении воздух в турбине
разрежается, приводя в движение вторую турбину. Таким образом, волновая
электростанция работает беспрерывно почти при любой погоде, а ток по подводному
кабелю передается на берег. Некоторые типы ВЭС могут служить отличными волнорезами, защищая побережье от
волн и экономя, таким образом, миллионы долларов на сооружение бетонных
волнорезов. Под руководством директора Лаборатории энергетики воды и ветра
Северо-Восточного университета в Бостоне был разработан проект первой в мире
океанской электростанции. Она будет сооружена во Флоринском проливе, где берет
начало Гольфстрим. На его выходе из Мексиканского залива мощность водяного
потока составляет 25 млн. м3 в секунду, что в 20 раз превышает
суммарный расход воды во всех реках земного шара! По подсчетам специалистов
средства, вложенные в проект, окупятся в течение пяти лет. В этой уникальной электростанции для получения тока мощностью 38 кВт будет
использоваться турбина Горлова. Эта геликоидная турбина имеет три спиральные
лопасти и под действием потока воды вращается в 2-3 раза быстрее скорости
течения. В отличие от многотонных металлических турбин, применяемых на речных
гидроэлектростанциях, размеры изготовленной из пластика турбины Горлова
невелики (диаметр 50 см,
длина 84 см),
масса ее всего 35 кг.
Эластичное покрытие поверхности лопастей уменьшает трение о воду и исключает
налипание морских водорослей и моллюсков. Коэффициент полезного действия
турбины Горлова в три раза выше, чем у обычных турбин. Гольфстрим - не единственное океанское течение, которое может быть
использовано для выработки энергии. Японские ученые, например, говорят о
большой эффективности подобных сооружений на тихоокеанском течении Куросио. О
его колоссальном энергетическом потенциале позволяют судить следующие цифры: у
южной оконечности острова Хонсю ширина течения составляет 170 км, глубина
проникновения - до 700 м,
а объем потока - почти 38 млн. м3 в секунду! 2.8 Геотермальная энергия. Подземное тепло планеты - довольно хорошо известный и уже применяемый
источник "чистой” энергии. В России первая геоТЭС мощностью 5 МВт была построена
в 1966 г.
на юге Камчатки, в долине реки Паужетки. В 1980 г. ее мощность
составляла уже 11 МВт. В Италии, в районах Ландерелло, Монте-Амиата и Травеле,
работают 11 таких станций общей мощностью 384 МВт. ГеоТЭС действуют также в США
(Калифорния, Долина Больших Гейзеров), Исландии (у озера Миватн), Новой
Зеландии, Мексики и Японии. Столица Исландии Рейкьявик получает тепло
исключительно от горячих подземных источников. Но потенциальная мощность
геотермальной энергетики намного выше. Геологи открыли, что раскаленные до 180-200оС массивы на глубине
4-6 км
занимают большую часть территории нашей страны, а с температурой до 100-150С
встречаются почти повсеместно. Кроме того, на нескольких миллионах квадратных
километров располагаются горячие подземные реки и моря с глубиной залегания до 3.5 км и с температурой воды
до 200С - естественно, под давлением, - так что, пробурив ствол, можно получить
фонтан пара и горячей воды без всякой электротеплоцентрали. 2.9 Гидротермальная энергия. Кроме геотермальной энергии активно используется тепло воды. Вода - это
всегда хотя бы несколько градусов тепла, а летом она нагревается до 25 С.
Почему бы не использовать часть этого тепла? Для этого необходима установка,
действующая по принципу "холодильник наоборот”. Известно, что холодильник
"выкачивает” из своей замкнутой камеры тепло и выбрасывает его в окружающую
среду. Если пропускать воду через холодильный аппарат, то у нее тоже можно
отбирать тепло. Горячий пар, который образуется в результате теплообмена,
конденсируется, его температура поднимается до 110С, а затем его можно пускать
либо на турбины электростанций, либо на нагревание воды в батареях центрального
отопления до 60-65 С. На каждый киловатт-час затрачиваемой на это энергии
природа дает 3 киловатт-часа! По тому же принципу можно получать энергию для
кондиционирования воздуха при жаркой погоде. Подобные установки наиболее эффективны при больших перепадах температур,
как, например, в морях: на глубине вода очень холодна - около 4С, а на
поверхности нагревается до 25 С, что составляет 20 градусов разницы! Все
необходимые инженерные разработки уже проведены и опробованы экспериментально
(например, у атолла Каваратти в Лаккадивском архипелаге около юго-западного
побережья Индии), осталось только претворить их в жизнь везде, где имеются
подходящие природные условия.
Более трети поверхности Мирового океана (130 млн. км'") имеет дно,
грунт которою пригоден для выращивания быстрорастущих водорослей, из которых
можно легко получить горючие газы метан и этан, широко исполь-зуемые для самых
разных целей. В настоящее время обра-щено внимание на выращивание бурой
водоросли -- весьма урожайной культуры (от 600 до 1000 т с гектара в сыром
весе). Бурая водоросль не имеет корней, поэтому для нее не очень важен состав
грунта. Растет она в толще морской воды, но вода должна быть достаточно богата
питатель-ными солями и должно быть много солнца. Имеются в Мировом океане и другие источники энер-гии. Например, обсуждался
вопрос об использовании сероводорода -- горючего газа с неплохой калорийностью.
Сероводородом очень богато Черное море, и к тому же его количество там
непрерывно возрастает. Есть сероводород и в других районах Мирового океана --
общие запасы его очень велики (недостаток этого вида топлива -- непри-ятный
запах, но, возможно, будет найден способ его устранения). Весьма перспективный вид энергии Мирового океана -- это энергия волн. В
океане много видов воли. Однако с точки зрения выработки электрической энергии
заслу-живают внимания лишь три их типа: приливные волны, ветровые волны и зыбь.
Ветровые волны обладают боль-шой разрушительной силой, т. е. несут значительную
энер-гию. Несколько миллионов штормов ежегодно случается в Мировом океане. По
подсчетам академика Н. В. Мель-никова, 1 км2 водной поверхности с
волнами высотой около 5 м
обладает мощностью около 3 млн. кВт. А штор-мовая погода может охватить площадь
в несколько тысяч квадратных километров. Соответственно волновая мощ-ность
Мирового океана оценивается цифрой около 3 млрд. кВт! Запасы энергии ветровых
волн и зыби огромны, но степень разработанности проблемы ее использования пока
недостаточна, лишь в последнее десятилетие были сде-ланы некоторые шаги в деле
практического использования энергии ветровых волн и зыби -- для выработки
электри-ческой энергии Значительно раньше началось использование энер-гии
приливных волн, отличающихся четкой регуляр-ностью: два раза в сутки в
определенное время появля-ются приливные волны заранее известной высоты. Эти
свойства -- строгая периодичность и определенная вы-сота -- позволили людям
очень рано научиться использо вать их энергию: уже в XI в. строили мельницы,
работа-ющие за счет энергии прилива (например, во Франции в г. Шербуре до сих
пор действует старая мельница, ис-пользующая энергию приливных волн). В наши
дни при-ливные электростанции -- самые мощные среди других волновых
электростанций, но их можно построить не на любом участке побережья (и, как
правило, не там, где особенно нужна энергия). У нас в стране, например,
при-рода распорядилась так, что самые мощные приливы име-ются вдали от
индустриальных центров или районов с большим потреблением энергии. В Советском
Союзе самые мощные приливы -- у берегов Камчатки, где общая энергия приливных
волн равна примерно 1019 Дж в год. Ветровые волны и зыбь хороши тем, что для использо-вания их энергии не надо
искать особых мест с благо-приятными географическими условиями, как для
при-ливных волн. Они бывают на любой акватории -- был бы ветер да пространство
для разгона. Чтобы утилизировать энергию ветровых волн (и зыби), не надо
строить больших и дорогих плотин, что также очень важное преимущество. Именно
поэтому в разных странах ведутся исследования по выбору наилучших способов
преобразования энергии ветровых волн и зыби. Созданы волноэнергетические
уста-новки разных мощностей, использующие различные фи-зические принципы для
преобразования энергии волн. Почти полвека назад академик В. В. Шулейкин от-метил три основных
направления, по которым шла кон-структорская мысль в решепии проблемы
использования энергии поверхностных волн . На одно из первых мест он ставил
использование энергии качки: движение по-плавка передается поршням насосов.
Если учесть, что поплавок может иметь массу в сотни тонн, а размах
коле-бательного движения принять порядка нескольких мет-ров, то, очевидно,
таким путем может быть получена весьма значительная мощность. Современные
английские проекты использования волновой энергии («утка» Солтера и «плот»
Коккереля) основываются именно на этом прин-ципе. Второй способ --
использование ударного давле-ния: волны ударяют в подвижную деталь волновой
ма-шины и отдают ей свою кинетическую энергию. Этот принцип с успехом
применялся в конце прошлого столе-тия в установках, использовавших энергию волн
для на-качки воды. Не потерял он своего значения и в наши дни (правда, для
маломощных установок). Третий путь -- использование гидравлического тарана. По
этому спо-собу была построена экспериментальная установка на станции Морского
гидрофизического института АН СССР в Крыму. Ныне эта идея в большем масштабе
реализу-ется на острове Маврикий и в других местах. Различные виды энергии океана американский спе-циалист Д. Д. Айзеке
предложил условно оценивать одной мерой -- в метрах водяного столба 2.
Эта величина на-зывается им плотностью потока, она характеризует сте-пень
концентрации данного вида энергии. С помощью этого понятия удобно сравнивать
между собой различные виды энергии в океане. Например, для теплового гради-ента
(т. е. разности температур между теплым и холодным слоями) 20 °С плотность
потока составляет 570 м
водя-ного столба, ее напор -- как в грандиозном водохрани-лище, подпертом
плотиной высотой более полукилометра. А для градиента 12 °С плотность потока
равна 210 м.
Обе цифры (210 и 570 м)
рассчитаны с учетом КПД тепло-вой машины, работающей по циклу Карно. Такую
плот-ность потока в океане имеет еще только энергия градиента солености
(осмоса) -- 240 м.
Другие виды энергии океана имеют значительно меньшие значения плотности потока.
Так, для ветровых волн она составляет 1,5 м, а для океан-ских течений --лишь 0,05 м. Но, как сказал Д. Д.
Ай-зеке, еще остаются неоткрытыми совершенно новые прин-ципы, простые и
сложные, обнаружив которые, можно использовать ресурсы океана, связанные с
энергией, для блага человечества.
следующая
