Мировой океан занимает почти 70% поверхности нашей планеты и представляет собой нечто по истине великое и могущественное. Одной из главных его черт является постоянное движение, формируемое волнами, течениями, приливами и отливами. Их зарождению способствуют ветра, гравитационные силы Луны, Солнца, Земли, сейсмические толчки и многие другие факторы. Благодаря этому океаническая масса изобилует энергией, объемы которой во много раз превышают величины, необходимые людям, по крайней мере, на текущий момент.
Немного истории: вода как источник энергии
Использование воды в качестве источника энергии во многом определило вектор человеческого развития. Вертикальное водяное колесо, изобретенное, возможно, за два века до рождества Христова, вошло в широкое использование в течение нескольких сотен лет. К концу римской эпохи водяные мельницы обеспечивали энергией помол зерна, производство ткани, выделку кожи, распиловку дерева и т.п.
В средние века на берегах Англии и Франции начали появляться первые водяные мельницы, которые приводились в движение за счет энергии приливных волн. Конструкция таких устройств была довольно тривиальной – небольшая бухта на морском побережье перегораживалась дамбой, отделявшей бассейн от моря. В дамбе располагались отверстия с затворами и сама приливная мельница. Во время прилива вода через открытые отверстия в дамбе заполняла бассейн. При отливе уровень воды со стороны моря понижался, но в бассейне вода задерживалась, так как отверстия в дамбе закрывались. В XV веке большие фрезерные комплексы находились в абсолютной зависимости от водяной энергии. Изобретение и распространение коленчатого вала позволило применить эту энергию к задачам, требовавшим возвратно-поступательных движений. С течением времени в Европе появляется все больше и больше водно-промышленных комплексов (например, водяные хлопчатобумажные фабрики У. Струтта и Р. Окрайта, функционирующие в течение 1770-х годов в Англии).
В 1910 году для снабжения электроэнергией одного из частных домов в Руайяне (Франция) было использовано устройство, конструкция которого напоминает осциллирующий водяной столб, принципы работы которого используются и сегодня. В этом конструктивном варианте волны, осуществляя толчковые движения, заполняют собой специально изготовленные камеры, в которых содержатся воздушные массы. Воздух сжимается, создается избыточное давление, под действием которого он поступает на турбину, вращая ее лопастные механизмы. Вращательное движение турбины передается на генератор, который вырабатывается электрический ток.
Турбины используют в течение последних 200 лет, и за это время было изобретено множество подобных устройств, имевших различные конструкции и принципы действия. Но наиболее эффективными оказались радиальные и струйные турбины. Радиальные используются тогда, когда напор воды невелик, но есть возможность построить плотину и создать перепад высот в 10-15 метров. Такие турбины получили широкое распространение в XX веке в связи с развитием гидроэлектростанций. Струйные турбины по принципу действия схожи с верхненаливными колесами – струя воды под сильным напором ударяет в лопасти турбины и заставляет ее вращаться.
Современность
Сегодня за добычу электроэнергии отвечают целые отдельные отрасли экономики – тепловая электроэнергетика, атомная, гидро, развивается альтернативная (ветер, солнце, геотермальные источники, водород и т.п.). Каждая из них несет в себе как достоинства и недостатки. Одной из главных проблем использования невозобновляемых источников энергии является истощение природных ресурсов и загрязнение окружающей среды. Так, эксплуатация атомных электростанций, как показывает практика, не редко приводит к глобальным экологическим катастрофам; возрастают риски значительного изменения температуры и климата Земли (выбросы углеводородов в атмосферу приводят к увеличению парникового эффекта); ученые предсказывают истощение месторождений угля в течение одного-двух столетий, а нефти – уже через несколько десятилетий (при этом разработка новых месторождений становится все более трудоемкой и дорогостоящей); повышается уровень смертности и заболеваемости населения, в чем экологическая составляющая играет значительную роль. В то же время развитие абсолютно всех отраслей хозяйства не стоит на месте, и постепенно востребованность в большем количестве энергии становится все выше. Можно бесконечно перечислять подобные проблемы, но факт остается фактом – современная мировая экономика построена на использовании невозобновляемых природных ресурсах. И, откровенно говоря, это печально.
Но вместе с тем нельзя не отметить то, что хоть и малая, но все же часть общества понимает, что вопросы сохранения и воспроизводства природной среды нужно было начать решать еще вчера. И прогресс в этой сфере хоть и медленно, но уже начался. Помимо развития альтернативной электроэнергетики, на месте не стоит и поиск способов использования ресурсов мирового океана, который, как мы выяснили в начале, содержит в себе огромное количество энергии. Среди ключевых возобновляемых источников океанской энергии можно выделить:
ветер;
волны;
приливы;
океанские течения;
энергию, получаемую за счет разницы температур на разных глубинах океана (преобразование тепловой энергии океана – OTEC);
энергию, получаемую из разного содержания солей в пресной и соленой воде (осмотическая сила).
Рассмотрим несколько интересных технологий, позволяющих добывать энергию из океана.
1. Шведская инженерная компания Minesto разработала специальные планеры, похожие на беспилотные летательные аппараты. Они предназначены для добычи энергии благодаря подводным течениям. На сайте компании приведен простой, но одновременно хорошо иллюстрирующий работу устройства пример: «Представьте, что вы стоите на пляже и запускаете воздушного змея (=кайт) на ветру. Вы чувствуете мощную подъемную силу кайта за счет строп, прикрепленных к нему. Когда он находится в зените, то тяга практически отсутствует, и удается стоять на месте. Но если попробовать переместить кайт в какую-либо сторону, то становится заметно, что он начинает тянуть за собой, и чем сильнее ветер, тем больше тяга. Собственно, если прикрепить турбину к кайту и поместить его в океанское течение, то таким образом и получится предлагаемая концепция энергетической технологии под названием Deep Green».
Отличительной особенностью Deep Green от других разработок в сфере приливной энергии является крыло, размеры турбины и тот факт, что вся установка движется под водой. Крыло толкает турбину через воду по восьмиугольной траектории, охватывая большую площадь с относительной скоростью, которая в несколько раз превышает фактическую скорость подводного течения. Турбина передает энергию генератору, а генератор пропускает ее через силовой кабель. Шланг на морском дне передает электроэнергию на берег.
Важным преимуществом здесь является то, что приливы вызваны движением Земли, Солнца и Луны, которое можно рассчитать с максимальной точностью. Океанские течения в определенной степени постоянны.
«Размах крыла Deep Green составляет 12 метров, и каждое из них вырабатывает 1,2 мегаватта энергии», – сообщил генеральный директор Minesto Мартин Эдлунд. «Мы считаем, что достаточное количество наших устройств позволит обеспечить энергией половину домашних хозяйств на Фарерских островах, которые по-прежнему используют импортное дизельное топливо для покрытия примерно половины своих энергетических потребностей».
2. От добычи приливной энергии перейдем к волновой. Американская компания Northwest Energy Innovations (NWEI) разработала волновую электростанцию Azura, которая представляет собой маятник, нижняя часть которого прикреплена к океанскому дну. Он извлекает энергию как из вертикального, так и из горизонтального (импульсного) движения волн. Выработка происходит в результате относительного вращательного движения корпуса и поплавка. Поплавок, соединенный с ротором генератора, способен непрерывно вращаться на 360 градусов или колебаться вперед и назад, что позволяет устройству извлекать энергию в самых разных волновых условиях и повышает общую эффективность системы. Генератор приводится в движение гидравлической системой высокого давления. Совершаемые круговые движения поплавка преобразовываются в электрическую энергию, которая передается по подводному кабелю. Вес Azura составляет 45 тонн. В настоящее время устройство проходит испытания на Гавайях. Оно подключено к муниципальной сети, обеспечивающей электричеством весь штат. Устройство может генерировать 20 киловатт энергии.
3. В 2015 году в Шотландии компании Equinor (75%) и Masdar (25%) представили первую в мире коммерческую ветроэлектростанцию Hywind Scotland, использующую плавучие турбины мощностью по 6 МВт каждая. Станция размещается в 25 км от берега. Для установки ветряных генераторов на Hywind Scotland используются специальные анкера, удерживающие их на глубине до 800 м. В состав электростанции входят пять ветряков. Высота мачты каждого из них над поверхностью воды составляет 176 м, под водой – еще 78 м. Диаметр ротора – 154 м, масса всей конструкции – около 12 тонн. От каждого ветрогенератора отходит кабель, который подключается к электросети города.
Турбины установки также высокотехнологичные – на станции установлено специальное программное обеспечение, которое может менять угол поворота лопастей ветрогенератора в зависимости от силы ветра, уменьшать нежелательную качку и оптимизировать выходную мощность. В будущем планируется оснащение электростанции литий-ионным аккумулятором Batwind емкостью 1 МВт⋅ч. Такая батарея будет служить накопителем электричества и отдавать его при безветренной погоде.
На данный момент устройство испытывают рядом с городом Петерхед, Шотландия.
Заключение
Несомненно, сегодня может быть использована только малая часть потенциала такого рода энергетических ресурсов: освоение многих районов океана, по крайней мере, на данный момент, является очень трудным, затраты на подключение выражаются огромными числами; кроме того, многие из потенциальных мест в прибрежных районах «зарезервированы» для судоходства, рыбной промышленности и являются охраняемыми территориями. Но тем не менее, во многих странах правительство помогает и стимулирует развитие такого рода источников энергии. Например, в США Министерство энергетики организовывает соревнования для компаний и частных лиц по разработке подобных устройств.
