Использование энергии океанических течений

Присутствовавшие специалисты  по охране окружающей среды, однако, возражали  против неограниченного преобразования энергии течения. Как заявил один из них, "извлечение 200 мегаватт энергии  охладит Флоридское течение, что повлияет на климат востока Соединенных Штатов и Северной Европы".

В то же время инженеры-практики предлагали такие устройства, как двухлопастные  пропеллеры (которые вначале и  называли подводными мельницами), роторы с вогнуты ми лопастями и системы  гигантских водяных турбин. Однако наибольшее внимание привлекла система  подводных парашютов, изобретенная Гари Стилманом, приехавшим из окруженной со всех сторон сушей Айовы.

Стилман - фермер, не имеющий специального технического образования, впервые использовал парашюты для преобразования энергии небольшого ручья, протекающего через территорию его фермы. Поскольку устройство там работало, он предложил ту же идею с условием увеличения размеров парашютов для преобразования энергии Флоридского течения. Его изобретение столь же просто и дешево, сколь и оригинально. Оно предназначено для превращения энергий низкого уровня в электрический ток и называется WLVEC^* - "водяной энергопреобразователь, работающий на низких скоростях". WLVEC состоит из двух компонентов: колеса на оси, закрепленного на судне или плавучей платформе, и вытянутой петли, непрерывно вращающейся вокруг колеса, словно конвейерная линия. Вдоль петли закреплены паруса, выполненные в виде парашютов. Они расположены так, что раскрываются при встречном потоке воды и закрываются, когда поворачиваются на петле в противоположном направлении. Когда это устройство опускается в воду, парашюты автоматически вытягивают петлю и приводят систему в действие под влиянием силы течения. Петля, в свою очередь, вращает колесо, передающее вращение турбогенератору, который и вырабатывает электрический ток.

Группа Мак-Артура в заключение пришла к оптимистическому выводу: весьма возможно, что в середине 80-х годов из Флоридского течения будут извлекаться значительные количества энергии, причем цена ее будет достаточно низкой. Использовать ее можно тремя способами: как электрический ток, передаваемый на берег по подводному кабелю, как водород (извлеченный из морской воды), который можно перекачивать по газопроводу или перевозить судами в криогенных резервуарах, или как сжатый газ, хранимый в "подводных баллонах".

Перед окончанием своей работы группа Мак-Артура выступила с рекомендациями относительно программы исследований и развития. Вскоре после этого  было установлено, что скорость океанских  течений изменяется как во времени, так и в пространстве, а величина ее в большинстве случаев невелика. Значит, и энергетический уровень тоже.

Энергия низкого уровня? Для изобретательных  инженеров такая проблема не являлась непреодолимой. Они знали, что океанские  течения содержат в себе огромные запасы энергии и что она может  быть извлечена с помощью больших  низкоскоростных водяных турбин. Ряд возможных проектов таких  турбин подвергся рассмотрению. Один из них - создание турбины с вертикально  расположенной осью - был признан  в то время наиболее эффективным. Он имел два плюса: возможность подстраиваться к интенсивности потока и изменениям в его направлении. Однако уже  в 1980 году Стилман объявил, что его новая модель WLVEC с парашютами размером 5 футов (1,5 м) работает превосходно. "Ее выходная мощность,-заявил он,-10 лошадиных сил при скорости потока, составляющей два узла". Согласно его последним оценкам, "не существует верхней границы мощности энергостанций типа WLVEC. Все зависит лишь от прочности используемых материалов. При цене на нефть, равной 30 долларам за баррель, станция WLVEC, расположенная у берегов Майами, будет производить электричество на 1,5 миллиона долларов в день".

Говоря о создании электростанций, использующих энергию океанских  течений, мы имеем в виду, что для  этого необходимы крупные денежные средства и государственная поддержка. Лишь один раз, в 1979 году, правительством США были предприняты конкретные шаги в этом направлении. Они заключались  в том, что вице-президент компании "Аэровиронмант Инкорпорейтед" (Пасадена, Калифорния) доктор Питер Б. С. Лиссамэн пытался продолжить работу и исследования с того момента, на котором остановилась группа Мак-Артура. Его цель - создать энергосистему на основе так называемых "подводных мельниц" - океанских турбин, изобретенных двумя инженерами - Дэвидом Томпсоном и Уильямом Маутоном.

 
Рисунок 1 – Вид в разрезе WLVEC - водяного энергопреобразователя, работающего на низких

"Представьте себе,- говорит Лиссамэн,- огромную подводную турбину размером в два городских квартала, имеющую в центре гигантский ротор. Пусть 250 таких турбин будут погружены в Гольфстрим на глубину 75 футов и заякорены кабелями длиной почти в две мили. Протекающий поток воды приведет роторы в движение, в результате чего турбины станут вырабатывать электрический ток. Передаваемый во Флоридскую энергосистему по подводным кабелям, он легко покроет значительную часть общегосударственных потребностей в энергии".

Этот проект - энергосистема из океанских турбин - назван программой Кориолиса в честь французского ученого XIX века Гюстава Гаспара Кориолиса. Будучи математиком и инженером, он стал известен своей теорией, описывающей движения океанских и воздушных течений в зависимости от вращения земного шара. Согласно этой теории течения Северного полушария смещаются вправо, т. е. по часовой стрелке, а течения Южного полушария смещаются влево, т. е. против нее.

Менеджер программы Кориолиса  Роберт Рэдки описывает систему с большим энтузиазмом. "Мы рассчитываем на то, что у нас не будет больших проблем с реализацией проекта - установкой и закреплением турбин и генераторов. Так как турбины представляют собой огромные трубы, напоминающие по форме кофейные банки, у которых отсутствуют донышки, они обладают значительной стабильностью. Количество полученной энергии будет больше. Что касается коррозии под действием морских организмов (называемой впоследствии биофулингом), то следует отметить, что они очень редко закрепляются на предметах, находящихся в проточной воде. А Гольфстрим как-никак имеет скорость 4 мили в час".

В ответ на вопрос: меняется ли скорость Гольфстрима в зависимости от времени года и как это влияет на выработку электроэнергии,- Рэдки говорит: "Мы знаем, что существует разница в скорости потока зимой и летом. Мы изучили это явление, и сейчас, на начальных стадиях разработки программы, считаем, что средняя производительность Кориолиса составит 57%. Это совсем неплохо".

Проблема, выдвинутая специалистами  по защите окружающей среды,- изменение  климата Соединенных Штатов и  Северной Европы в результате похолодания  Гольфстрима - не принимается всерьез  как Лиссамэном, так и Рэдки. "Кориолис не извлекает тепло, а наши машины используют лишь кинетическую энергию текущей воды.

 
Рисунок 2 – Отбуксировка установки 'Кориолис-1' к станции на Гольфстриме

Существуют ли проблемы, связанные  с замедлением течения? При взаимодействии турбин с течением они уменьшают  его скорость только на 1%. И хотя мы не считаем, что 1 % - это существенно, мы продолжим изучение данного вопроса".

На основе своих исследований представители  компании "Аэровиронмант" уверены в том, что осуществление программы Кориолиса даст возможность производить 10 000 мегаватт энергии без загрязнения окружающей среды. Что касается влияния работы турбин на океан, то исследования показали, что создаваемые при этом волны не превосходят обычных морских волн у берегов Флориды. Утверждается также, что изменения скорости и температуры потока будут менее значительны по сравнению с естественными флуктуациями.

Между тем возникает необходимость  в новых исследованиях. Нужно  построить и испытать 39-футовую (12 м) модель океанской турбины. К промышленной эксплуатации в полном объеме можно  будет приступить через тридцать шесть месяцев после начала ее строительства.

Как уже отмечалось, океанские течения  несут энергию, которой достаточно, чтобы электрифицировать весь мир. Является ли это решением проблемы нехватки энергии?

Вообще говоря, сейчас еще рано оценивать будущий потенциал  этого источника энергии. И большинство  тех организаций или частных  лиц, которые вложат свои деньги в  реализацию таких проектов, будут  вынуждены находиться в положении, когда известна еще далеко не вся  информация об океанских течениях: их скорость и температура, постоянство  и энергетический уровень.

Организатор группы Мак-Артура доктор Харрис Б. Стюарт-младший думает иначе. В телефонном разговоре с автором  этой книги он сказал: "Не стоит  ждать, когда будут собраны все  сведения обо всех течениях в мире. Начнем с Флоридского течения. Энергии в нем предостаточно. Мы это знаем и знаем, как ее извлечь. Не нужно концентрировать все усилия лишь на одном источнике энергии. Наша задача - использовать локальные источники энергии. В Калифорнии мы извлекаем геотермальную энергию, в Аризоне - солнечную, в заливе Кобскук - приливную, в Северной Атлантике, у побережья Шотландии,- волновую. Близ Флориды мы будем использовать энергию океанского течения".

Спокойно, но весьма убедительно Стюарт добавляет: "Что мы не должны делать, так это следовать примеру  Министерства энергетики США, которое  в настоящее время направляет все средства и усилия на развитие использования только одного энергоресурса - ОТЕС - преобразования термальной энергии  океана".

2. Механизм возникновения океанических течений

В океанах  и морях в определенных направлениях на расстояния в тысячи километров перемещаются огромные потоки воды шириной  в десятки и сотни километров, глубиной в несколько сотен метров. Такие потоки — “реки в океанах”—  называются морскими течениями. Движутся они со скоростью 1-3 км/ч, иногда до 9 км/ч. Причин, вызывающих течения, несколько: например, нагревание и охлаждение поверхности воды, осадки и испарение, различия в плотности вод, однако наиболее значимой в образовании  течений является роль ветра. Течения  по преобладающему в них направлению  делятся на зональные, идущие на запад  и на восток, и меридиональные –  несущие свои воды на север или  юг. В отдельную группу выделяют течения, идущие навстречу соседним, более мощным и протяженным. Такие  потоки называют противотечениями.

Среди меридиональных течений наиболее известен Гольфстрим. Он переносит в среднем каждую секунду около 75 млн. тонн воды. Для  сравнения можно указать, что  самая полноводная река мира Амазонка переносит каждую секунду лишь 220 тысяч тонн воды. Гольфстрим переносит  тропические воды к умеренным  широтам, во многом определяя климат, а значит, и жизнь Европы. Именно благодаря этому течению Европа получила мягкий, теплый климат. Из зональных  течений наиболее мощным является течение  Западных ветров. На огромном пространстве Южного полушария у побережья  Антарктиды нет сколько-нибудь значительных массивов суши. Над всем этим пространством  преобладают сильные и устойчивые западные ветры. Они интенсивно переносят  воды океанов в восточном направлении, создавая самое мощное во всем Мировом  океане течение Западных ветров. Оно  соединяет в своем круговом потоке воды трех океанов и переносит  каждую секунду около 200 млн. тонн воды (почти в 3 раза больше, чем Гольфстрим).

  Система Западных пограничных течений от п-ва Флорида до Большой Ньюфаундлендской банки получила название течения Гольфстрим. Считается, что Гольфстрим – это струйное течение, расположенное у восточного побережья Северной Америки, в том месте, где зона материкового шельфа, окаймляющего побережье континента, переходит в прибрежный склон. Гольфстрим – тёплое поверхностное течение, температура воды в котором в отдельных местах иногда достигает 30^o C. Но от берега его отделяют, так называемые, склоновые воды, распреснённые и прохладные. Холодными они становятся севернее, ближе к Ньюфаундленду, где чувствуется влияние по настоящему холодного Лабрадорского течения. Начинается Гольфстрим в проливе между Флоридой и Карибскими островами и сначала не удивляет наблюдателя чрезмерными скоростями течений. Но к северу он набирает силу, расход его увеличивается, и скорости течения иногда достигают 2,5 м/с. Это уже скорости, характерные для горных рек и очень редко имеющие место в океанах, но в Гольфстриме они наблюдаются часто. Относительно большие скорости течений Гольфстрима наблюдаются вплоть до района большой Ньюфаундлендской банки.

      Многие исследователи  Гольфстрима сравнивают его с течением реки в океане. Они считают, что Гольфстрим часто меняет свое положение (меандрирует) и настолько неустойчив, что определить его границы просто невозможно. Считается, что положение струи Гольфстрима может существенно измениться за 2 – 3 недели. В южной части Гольфстрима он имеет ширину 70 –100 км, а в северной, около Ньюфаундленда около 500 км. Глубина Гольфстрима от поверхности приблизительно равна 500м.

 

3. Энергетический потенциал океанических течений.

Морские и океанские течения представляют собой поступательные непрерывные  перемещения значительных водных масс. Возникновение морских течений  обусловлено, разностью плотностей холодной и теплой, соленой и пресной  воды, ветровым воздействием на водную поверхность, вращением Земли.

Различают течения теплые и холодные, поверхностные  и глубинные, придонные и прибрежные, ветровые и градиентные течения  Мирового океана и течения внутренних морей. Существуют и другие признаки, по которым классифицируют морские  течения. В рамках проблемы использования  энергетических ресурсов морей и  океанов важны следующие особенности морских течений: их непрерывность, вовлечение в движение больших масс воды и охват течениями большей части водной поверхности планеты.

Морские течения бывают непрерывные и  периодические. К последним относятся приливные течения и морские волны. Как показывает их название, действуют они не непрерывно, а эпизодически; либо по определенному временному закону (приливы), либо носят случайный, непредсказуемый характер (ветровые волны). Рассмотрим стабильные, постоянные во времени течения, скорость и направление движения которых остаётся практически неизменными за достаточно длительный срок. Очевидно, что такая особенность морских течений позволяет прогнозировать выработку электроэнергии за счет кинетической энергии морских течений.