В морях и океанах появятся электростанции

Полезные ископаемые, которые сегодня используются как топливо, в обозримом будущем могут закончиться. Этот прогноз стимулировал ученых на создание так называемых альтернативных электростанций. Исследователи нескольких стран пытаются добывать электроэнергию при помощи самого распространенного на Земле раствора — морской воды.

Дальше всего в этом направлении продвинулись американские технологи, которые создали и опробовали оригинальную установку, позволяющую получать электрический ток прямо из самой воды. В конце ноября нынешнего года компания Lockheed Martin получила от инженерного командования ВМС США 4,4 миллиона долларов (в придачу к ранее выданным восьми) для разработки и внедрения данной технологии. Суть ее проста. В принципах работы разберется каждый школьник — он применялся еще в паровых двигателях.

Известно, что если какую-нибудь жидкость с низкой температурой кипения, например аммиак, пропустить через теплообменник с теплой морской водой (нагреватель), эта жидкость превратится в пар. Этот пар можно направить в турбину, вращающую генератор, после чего переправить в охладитель, по которому курсирует ледяная морская вода (с глубины порядка одного километра). Попав туда, пар сконденсируется, а цикл, называемый циклом Карно, завершится.

Сами понимаете, что генератор во время этого цикла будет производить электроэнергию. Примечательно, что средой, создающей разницу температур в данном варианте цикла Карно, служит морская вода с разных глубин. Однако установка, осуществляющая этот цикл, будет расположена в океане практически на одном уровне: генератор — над поверхностью воды, нагреватель и охладитель — в приповерхностных слоях.

Все части установки соединяются системой труб, внутри которых циркулирует рабочее вещество (в данном случае аммиак). Для его перекачивания из охладителя в нагреватель нужно поставить насос, который будет работать от электричества, производимого генератором. Также нужен еще один насос, подающий в охладитель ледяную воду со дна океана.

Данная установка, получившая название "Система конверсии тепловой энергии океана" (Ocean Thermal Energy Conversion — OTEC), разрабатывалась американскими военными инженерами еще в первой половине прошлого века. Однако лишь в 1979 году Гавайская лаборатория натуральной энергии, Lockheed Martin и еще несколько компаний смогли запустить в работу первую в мире установку по добыче электричества из морской воды Mini-OTEC. Она представляла собой баржу, несущую на себе все элементы описанной установку, заякоренную в 2,4 километра от Гавайских островов в местечке Keahole Point.

В течение нескольких месяцев Mini-OTEC работала с мощностью 50 киловатт. К сожалению, из них только 18 киловатт шло на полезную нагрузку (судовые огни, компьютеры и телевизоры на барже), остальная же энергия тратилась на работу самой установки (то есть ее насосов). Как видите, КПД у такой системы получился весьма небольшой, поэтому вскоре проект был свернут и отложен как неперспективный.

Однако недавно старые знакомые Lockheed Martin, Гавайская лаборатория натуральной энергии и фирма Makai Ocean Engineering решили возродить его.

Партнеры планируют построить у побережья Гавайев опытную электростанцию, похожую на Mini-OTEC. Этот комплекс, внешне напоминающий морскую нефтяную платформу, должен появиться в 2012 или 2013 году. Согласного прогнозам, от него можно будет получить порядка 10 мегаватт мощности.

Ученые и инженеры — кураторы проекта считают, что повысить КПД помогут более совершенные теплообменники, насосы и трубопроводы, связывающие агрегаты на платформе с дном океана. Если все подтвердится, то уже в 2015 году Lockheed Martin попробует возвести уже коммерческую электростанцию OTEC на 100 мегаватт. Такой мощности хватило бы для питания небольшого прибрежного города со всеми расположенными в нем портами.

Итак, американцы решили сконструировать "ноу-хау" на основе уже использованной идеи, доказав тем самым справедливость поговорки о том, что новое — это хорошо забытое старое. А вот норвежские физики, конструируя собственный вариант установки, решили воспользоваться опытом матушки-природы и применить для получения электричества из морской воды осмотический закон.

Согласно этому закону, всякое вещество стремится перейти из области своей наибольшей концентрации в область, где концентрация минимальна. Отсюда логично предположить, что при смешивании морских и пресных вод молекулы воды будут "перебегать" из очень соленой зоны в слабосоленую. Исходя из этого принципа, норвежские исследователи под руководством Эрика Скилхагена решили построить электростанцию в устье реки, впадающей в Северное море, где смешение двух потоков с различной соленостью происходит по естественным причинам.

Оба потока поступают в резервуар, разделенный особой мембраной, которая пропускает молекулы Н2О, но задерживает все соли. В результате объем той части, куда стремятся перейти данные молекулы, возрастает и создается избыточное давление воды, эквивалентное воздействию водяного столба высотой 120 метров. Оно-то и создает силу, которая вращает турбины.

Эта электростанция, расположенная в городке Тофте близ Осло, была пущена в эксплуатацию в январе нынешнего года. Однако ее изначальная выработка была незначительной — всего 2-4 киловатта, поскольку значительная часть энергии, как и в случае с Mini-OTEC, шла на обслуживание подпитывающих насосов. Тем не менее в течение года благодаря новым разработкам и усовершенствованиям мощность станции поднялась до 10 киловатт. Окрыленные успехом, норвежские инженеры и ученые планируют через два-три года создать еще одну тестовую версию электростанции, дающую до одного мегаватта мощности.

Однако самую интересную идею высказал два года назад итальянский физик Роберто Де Люка. Суть ее в том, что само течение соленой воды может создавать электродвижущую силу (ЭДС), которая, в свою очередь, и будет трансформироваться в электроэнергию. Для того чтобы проверить данное утверждение, он сконструировал модель, в которой морская вода проходила через плоскую и широкую трубку, почти прямоугольную в сечении. На двух сторонах этой трубки были укреплены два электрода, а снаружи приложено перпендикулярно направленное магнитное поле.

Как мы помним из курса физики, именно в таких условиях начинает проявлять себя сила, называемая силой Лоренца. Она действует на ионы морских солей в текущем по трубке растворе так же, как на любые другие движущиеся в магнитном поле заряженные частицы. Эта сила и создает между электродами ЭДС, то есть силы, служащие в электрической цепи источниками энергии и поддерживающие в ней ток.

При этом, как показали опыты Де Люки, на электродах начинаются различные химические процессы. На одном из них вода расщепляется на составные элементы, то есть вырабатываются газообразные кислород и водород. На другом электроде идет окисление ионов хлора с образованием из них молекул этого газа. В итоге простейшее устройство вырабатывает сразу два чрезвычайно важных энергетических носителя — водород и ток, используя в качестве источника только течение соленой воды и магнитное поле, которое, как показывают эксперименты, не обязательно должно быть очень сильным. Его можно поддерживать с помощью небольшого генератора, работающего от электроэнергии, извлеченной из морской воды.

Как видите, фактически Де Люка создал своеобразную батарейку, использующую в качестве электролита морскую воду. Правда, в ходе экспериментов было показано, что такая батарейка вырабатывает электроэнергию в небольшом количестве. Дело в том, что принцип ее функционирования требует, чтобы трубка, сквозь которую течет вода, имела очень малую высоту в сравнении со своей шириной, иначе скорость потока сильно упадет. А через такую трубку, как мы понимаем, много электролита быстро не перекачаешь.

Однако, по мнению ученого, это противоречие можно снять, если поместить установку там, где течет много соленой воды. Поэтому он решил, что идеальное место для реализации его проекта — станции опреснения, через которые прогоняются большие объемы Н2О. И вот в этом году первая установка была, наконец, построена на одной из таких станций. Не исключено, что в начале следующего года она заработает и покажет себя с наилучшей стороны.

Итак, получить электроэнергию из морской воды можно разными способами. Какой из них наиболее эффективный, покажут эксперименты, запланированные учеными на следующий год. Возможно, он войдет в историю человечества как год, когда люди научились добывать электроэнергию при помощи стихии Нептуна!

Антон Евсеев