Энергия волн

Глава 6. Первый большой проект

Пионером крупномасштабной волновой энергетики в наше время оказался инженер-электротехник, занимавшийся проектированием гидроэлектростанций в Шотландии в тридцатые годы. Тогда имелось несколько небольших схем использования энергии волн — в Монте-Карло и у японской навигационной службы. Но Уолтон Ботт выступил с проектом, который мог дать столько энергии, сколько, необходимо для 800 тысяч обитателей острова Маврикия в Индийском океане. Остров площадью лишь 2000 кв. км имеет наивысшую плотность населения на земном шаре, примерно вдвое превышающую плотность Великобритании. Там отсутствует собственное топливо, и это обстоятельство могло бы послужить причиной, дающей миру возможность получать чистую энергию морских волн, если бы не решение, принятое в 1966 г., оставить работы по проекту Ботта ввиду того, что, как это ни странно звучит сегодня, мировые цены на нефть упали и дешевле оказалось ввозить нефть из Персидского залива, отстоящего на 5000 км, чем строить волноэнергетическую установку на берегу.

Проект Ботта основывался на естественных преимуществах острова Маврикия. Остров не просто окружен водой, он окаймлен рифами, которые могут служить, буквально говоря, скальными строительными лесами и снизить стоимость подводного капитального строительства.

М-р Ботт отправился на Маврикий в 1953 г., имея многолетний опыт работы над проектом получения дешевой электроэнергии в Шотландии. Он разработал план развития энергетики на острове и получил финансовую поддержку агентства Кроуна, которое сегодня теряет популярность: лучшие его работы едва заметны.

Прилив на Маврикии невысок, и проблема овладения энергией моря там, отличающаяся от британской, может иметь значение для Средиземноморья и стран, где приливные плотины неэффективны. М-р Ботт работал методически, изучая всю литературу по приливам и волнам, восходящую к 1848 г., когда сэр Георг Эри положил начало исследованиям своей работой «Теория волн на воде». Информация о волновой энергии практически отсутствовала. М-р Ботт связался также с Гидрологической исследовательской станцией в Уоллингфорде, работающей сегодня по проекту, развивающему его идеи.

Он понял, что, по крайней мере в Индийском океане, волны, которые следует использовать, это волны, разбивающиеся на берегу, ибо невозможно установить сооружения, способные устоять под напором открытого моря. Сейчас он живет в Вингестере, несколько отстранившись от дел, и, оставаясь консультантом агентства Кроун, читает лекции, пишет об энергетике как волновой, так и о другом направлении ее. В кабинете, заваленном книгами по этому предмету, он сказал мне: «Я пришел к выводу, что в открытом море нельзя разместить никакие механические или электрические установки. На Маврикии мы сталкивались с такими циклонами, при прохождении которых гнулся 25-сантиметровый стальной брус. В Шотландии был опрокинут волнолом весом 7000 тонн. Он был заменен 14 000-тонным сооружением, которое тоже было разрушено. У американского тяжелого крейсера ударом волны оторвало 30-тонный кусок носовой части судна».

Столь же скептически относится м-р Ботт к перспективе получения энергии в глубоких водах Британии. «Возможно фазовое наложение двух волн 30-метровой высоты. Такая сила способна сдвинуть собор св. Павла. Единственный способ защитить сооружения состоит в том, чтобы погружать их временами под воду, если это вообще возможно. Ситуацию нельзя сравнивать с той, в которой находятся нефтяные платформы, твердо установленные на четырех опорах, свободно пропускающие волны, вместо того чтобы принимать их на себя.

Кроме того, возникает задача передачи энергии на берег по кабелям, которые должны противостоять морской среде и выдерживать интенсивные движения в местах крепления к объектам, расположенным в море». Он не пытается приуменьшить значение других схем с различным инженерным обоснованием, направленных на разрешение перечисленных задач.

Плот является очевидным кандидатом на выживание — Кон-Тики доказал это. Преимущество утки заключается в том, что наибольшая составная часть ее, клюв, предназначена колебаться вместе с волнами. Можно составить также цепочку, например из 50 уток, такую, из которой вышедшую из строя утку можно изъять; электрическая цепь организована здесь подобно гирлянде лампочек на новогодней елке — перегорание одной не нарушает иллюминации. Допустим также кувырок утки, после чего она продолжит работу под воздействием волн противоположного направления. Разрабатываются и системы, в которых можно отцепить клюв от тела утки, если это целесообразно по погодным условиям. Осциллирующий водный столб ставит больше задач, ибо, по оценкам, стандартный образец — корабль Масуды — должен иметь размеры 22x33 м, чтобы эффективность его была эквивалентной одному плоту. Это будет задачей для Национальной инженерной лаборатории, обладающей первоклассными специалистами: масштабность проблемы не оставит их безразличными.

Что касается кабеля, то этот вопрос сегодня вызывает меньше затруднений, чем в период первых экспериментов м-ра Ботта. Пирелли предложил способ изготовления кабеля длиной 80 км — важное предложение, ибо место стыка всегда бывает самым слабым. Существует богатый опыт прокладки подводного кабеля, действующего многие годы. Еще в 1965 г. был проложен кабель протяженностью 119 км, от Италии в районе Пьомбино до Корсики и Сардинии, рассчитанный на передачу 300 МВт.

Случилось так, что в настоящее время эти подрядчики работают над кабелем, способным снять с повестки дня многие вопросы, и по иронии судьбы заказ сделан ядерной энергетикой. Американская компания, занимающаяся электрогазофикацией, предложила им изготовить подводный кабель на напряжение 345 кВт переменного тока для плавающей атомной электростанции. Станция должна находиться в 7 км от берега, кабель будет уложен на дно.

Изготовить цельный кабель такой длины несложно, но концевая его секция, присоединяющаяся к станции, ставит те самые задачи, которые надо решить для генераторов, работающих от волн. Кабель должен иметь возможность следовать за платформой, совершающей колебания под воздействием ветровых волн и прилива. Пирелли предложил гибкий кабель заключать в рифленый алюминиевый чехол вместо утолщенной свинцовой оболочки. Была осуществлена полная программа модельных испытаний, включающая проверку на усталость материала при изгибах с максимальной ожидаемой механической нагрузкой. Результаты оказались удовлетворительными. Таким образом техника, предназначенная для атомной станции, продвинула вперед решение одной из задач, относящихся к волновой энергетике, считавшейся непреодолимой всего несколько лет назад. Интересно отметить, что м-р Гленденнинг, который, как мы видели, не является поклонником солтеровских уток, полагает, что с помощью Пирелли эксплуатацию их можно наладить, хотя предпочтительнее все-таки подсоединить этот кабель к плоту Коккереля.

Я подробно остановился на этой стороне дела, ибо важно осознать, что мы являемся очевидцами развития новой отрасли техники, вопросы которой сменяются весьма быстрыми ответами. Всего два года назад вопрос передачи энергии от волновых генераторов был самым серьезным и детально изучался в самом Управлении. Мы переживаем период, когда инженеры осуществляют то, что до 1976 г. было мечтой.

Вернемся к м-ру Ботту. В марте 1975 г. он представил первую развернутую записку о волновой энергетике в Королевское общество[23]. По-видимому, тогда впервые внимание ученых столь высокого уровня было привлечено к предмету в деталях. Он начал с объяснения того, как волны переносят энергию, и интересно отметить, что основные факты оказались новыми для многих известных ученых, никогда ранее не имевших возможности заглянуть туда, что, по выражению м-ра Ботта, было «глухим закоулком естественнонаучных знаний». Если бы он говорил так, например, о паровой энергии, объясняя, как этот малый Уатт сообразил получить ее, то его манера говорить выглядела бы оскорбительной; но по отношению к волнам наши познания находились к 1975 г. на уровне пятого класса начальной школы.

М-р Ботт сделал таблицу, иллюстрирующую уже знакомый нам факт, что высота волны служит ее самой содержательной энергетической характеристикой. Так, волна высотой 1,5 м и длиной 15 м произведет 4,33 кВт, в то время как волна такой же длины, но вдвое большей высоты (3 м) обладает энергонесущей способностью 17,9 кВт, т.е. произведет в четыре раза с лишним больше, поскольку в формулу для энергии волны ее амплитуда входит в квадрате. Однако волна высотой 1,5 м и длиной 30 м произведет 8,9 кВт, тогда как волна той же высоты и вдвое большей длины будет производить всего вдвое больше энергии — 17,8 кВт. В области более высоких волн это различие еще разительней. Энергия шестиметровой волны будет 220 кВт, а двенадцатиметровой — 880 кВт[24]. Вот почему самые высокие волны одновременно и самые привлекательные, хотя именно с ними связаны основные инженерные проблемы.

Это область, в которой скоро придется ответить на трудные вопросы: во сколько обойдется строительство установки, способной выстоять под напором гигантских волн, воспринять их мощь и дать электроэнергии больше, чем дала бы менее дорогая установка в более спокойном море? В какой степени разумно противостоять действительно большим волнам, вместо того чтобы использовать их энергию? Что выгоднее: объект, предназначенный для приема максимально возможного потока энергии в суровом открытом море, или же менее радикальная установка, но рассчитанная на 100% выживания? Для Уолтона Ботта, с его образованием и знанием моря, конструкторские и эксплуатационные задачи, вместе с проблемой надежности, были естественно основными, тогда как инженеры другого профиля подчеркивали значение производительности установок, подчиняя им те или иные конструкторские решения. Это напоминает научные сражения прошлого века и является причиной интереса к ситуации: мы пользуемся привилегией быть свидетелями перехода от теоретического обсуждения к практической деятельности, касающейся всего нашего будущего.

М-р Ботт, решив, что идея размещения функционирующей установки в открытом море «не подлежит обсуждению», вернулся к проектам у берега. Он понимал, что рифовое окаймление острова представляет устойчивый фундамент для ограничительной стенки. Самая дорогая часть любого морского барьера — его основание, и на Маврикии, как он выразился, «природа построила его для нас», что значительно уменьшит стоимость инженерного сооружения.

Все, что требовалось, — это возвести две поперечные стенки-шпоры под прямым углом к внешнему ограждению и превратить берег в замкнутую лагуну (как бы ловушку для воды), внутри которой уровень воды мог бы поддерживаться на 2-3 м выше, чем в море. В поперечных стенках должны были разместиться низконапорные турбины и генераторы, приводимые в движение водой, стекающей обратно к океану. Выдержит ли риф? Он должен удерживать массивный бетонный откос с погонным давлением во много тонн на фут, увеличенным ударами волн. Все должно представлять гигантский волнолом противоположного назначения — вместо того чтобы максимально противостоять волнам, он должен позволять им накатываться возможно выше.

Ответ м-ра Ботта был таков: «Природа строит рифы в самой пасти волн, обеспечивая распространение исключительно стойкого вида коралла на кромке рифа, где воздействия волн интенсивнее всего. Этот вид (мадрепора) имеет форму шишки, крепкой как сталь, он доказал свою способность сопротивляться любому натиску моря». (Лично я предпочел бы смотреть на это менее романтично и считаю, что это единственный вид коралла, который может выжить в таких условиях, и должен был оказаться прочнейшим; это скорее философская сноска, а не инженерная.)

Администрация Маврикия решила проэкспериментировать с ограждающими наклонными стенками небольшого размера, но их не смогли установить. Тогда решили использовать заякоренные волнографы, чтобы увязать их показания с величиной энергии, получаемой в прибрежной экспериментальной установке. С этой идеей администрация обратилась в министерство по вопросам развития заморских территорий, чтобы получить ассигнования на исследования, а затем в сотрудничестве с агентством Кроуна поручила Гидрологической исследовательской станции провести модельные испытания. М-р Ботт высоко оценивает их, так как была получена необходимая информация о соотношении между высотой волны, ее длиной и величиной полученной энергии. Период волны составлял от шести до десяти секунд, что является естественным диапазоном океанских волн у Маврикия. Период имеет значение потому, что при набегании каждой новой волны повышается уровень перед бассейном и изменяется характер стока воды обратно в море. Экспериментаторы меняли также высоту и длину волн, высоту ограждающих конструкций, уровень воды непосредственно за ограждением и даже шероховатость свободной поверхности.

Слишком высокие ограждения позволяли бы в отдельных случаях обеспечить и более высокий горизонт воды в бассейне, но зато при уменьшении степени волнения поступление воды в него становилось бы недостаточным; это могло привести к ненадежности энергоснабжения от волн. М-р Ботт хотел, чтобы его проект обеспечивал основательное, устойчивое снабжение, а это означало, что дамба должна иметь меньшую высоту сравнительно с той, которая обеспечивает более высокий уровень в бассейне, рассчитанном на благоприятные условия.

И все же чем ниже была высота стенки и меньше бассейн, тем ниже располагалась головная часть турбины в тоннеле для воды, стекающей обратно в море. Стоимость была бы выше — турбина, работающая при высоте напора 10 м, стоила бы около одной трети стоимости турбины при двухметровом напоре. Это влияло на стратегию проекта: вместо двух установок мощностью по 2500 кВт предпочтительнее было ставить пять установок мощностью по 1000 кВт. Оценки показывали, что в мелком бассейне при полной нагрузке среднечасовая мощность составила бы около 5000 кВт. Но даже это потребовало бы дноуглубительных работ, чтобы вода могла свободно стекать обратно, и соответственно дополнительных затрат. С другой стороны, ненадежность снабжения при использовании высоких дамб требовала постройки тепловой электростанции. Анализ свидетельствовал в пользу более высокой дамбы, углубленного бассейна и более высокого напора для турбины, пусть даже за счет меньшего притока энергии в лагуну.

М-р Ботт назвал это ситуацией между Сциллой и Харибдой; точнее сказать — между дьяволом и дьявольски мелким морем. Возможности Гидрологической исследовательской станции могли облегчить, но не решить задачу. Пока дискуссия продолжалась, в 1966 г. цена на нефть стала понижаться. Специалисты посмотрели на проект и сказали: «Забудьте его». Практически это был конец, но м-р Ботт не оставил свой план и много позднее предложил решение. Следовало рассматривать запруженный бассейн не как непосредственное звено между морем и турбиной, а как промежуточное водохранилище. Его должна окружать невысокая дамба, облегчающая круглосуточное поступление энергии. При этом захваченную воду можно перекачивать на более высокий уровень путем использования энергии приходящих волн.

М-р Ботт предложил некоторую модификацию давно известного и надежного центробежного насоса, применявшегося для подкачки воды в сельской местности. Его устройство, имеющее один ротор, сочетало возможности гидравлической турбины и насоса. На Маврикии оно могло бы использоваться для пропуска больших расходов морской воды при движении ее из лагуны обратно в море. Эта вода приводила бы в движение центробежный насос, который подавал бы часть воды наверх. Вода, стекая в море, и сама могла бы вращать турбину, но, вытекая из верхнего резервуара, она совершала бы то же самое эффективнее.

Аналогичную конструкцию использовали более 50 лет назад в Германии, где на плотине реки Изар в районе Мюнхена установлен «преобразовательный насос» с двойным ротором. Он получил такое название в силу того, что «преобразовывает» низкое давление воды в высокое, поднимая ее наверх. Коэффициент полезного действия составляет 60%, но в данном случае эта цифра представляет лишь академический интерес, ибо насос работает за счет даровой энергии. Следует отметить, что наше Электроэнергетическое управление использует гидроаккумулирующие хранилища, наполняя верхние резервуары при помощи электростанций, работающих на ископаемом топливе (затрачивая четыре единицы электроэнергии, чтобы поднять воду наверх, и получая в результате три единицы — при падении воды вниз). Сила тяжести конфискует четверть доли в свою пользу.

М-р Ботт указал, что водохранилища должны быть много меньше тех, которые входят в обычные речные гидротехнические проекты, где естественные расходы воды могут не достигать требуемого значения в течение шести месяцев в году. На Маврикии этот период составлял в совокупности шесть недель и приходился на разное время года.

Дальнейшее удешевление нефти было бы нелепостью, и этого, как известно, не произошло. Но проект сохранился и не был забыт Гидрологической исследовательской станцией, директор которой Роберт Рассел отдает должное м-ру Ботту[25]. «Наша система порождена маврикийским проектом», — сказал он мне.

Популярность системы снижали два обстоятельства: она нефотогенична и имеет малопривлекательное имя — Гис-выпрямитель. Первоначально ее называли выпрямителем Рассела, но м-р Рассел предпочел, по соображениям скромности, изъять из названия собственное имя. Таким образом, не говоря уже о непривлекательности аббревиатуры, нуждающейся в расшифровке, неспециалисту требуется объяснить, что понимают инженеры под выпрямителем. Это звучит неопределенно, что-то вроде курса реабилитационной физиотерапии. На деле же это метод выпрямления, или изменения, движения. Так, в осциллирующем водном столбе, к которому мы обратимся позднее, движение воздуха в двух направлениях (он всасывается и выталкивается) «выпрямляется» с помощью клапанов таким образом, чтобы он только в одном направлении попадал на турбину. В Гис-выпрямителе вертикальные волновые колебания уровня преобразуются в однонаправленное движение потока, подаваемого на турбину.

Так может выглядеть Гис-выпрямитель.

Лучше было бы назвать это затвором Рассела, поскольку сооружение напоминает шлюзовый затвор, разделяющий резервуары с различным уровнем воды.

Сооружение представляет собой прямоугольный ящик, установленный на дне, на глубине 15-20 м, примерно в 5-10 км от берега. Оно имеет размеры гигантского танкера. Одна половина его разделена бетонными стенками на шеренгу камер, плотно закрытых затворами с резиновым уплотнением. Затворы открываются лишь внутрь, и напрашивающимся сравнением является шеренга уличных почтовых ящиков, положенных отверстиями вверх. При движении волны вода через отверстия под давлением попадает во внутреннюю полость, представляющую резервуар, в котором можно поддерживать повышенный уровень воды. Поднятие свободной поверхности при прохождении гребня волны создает избыточное давление по сравнению с гидростатическим давлением на обратной стороне затвора, и это давление открывает заслонки, ведущие во внутреннюю полость.

Затворы, подобно щелям в почтовых ящиках, являются клапанами, открывающимися лишь внутрь, и вода через них попадает во внутреннюю камеру, поднимая в ней уровень. Избыток воды имеет только один выход через турбину в резервуар с более низким уровнем. Таким образом, при прохождении воды турбина вращается и приводит в движение генератор. По мере подъема воды в нижнем резервуаре возрастает давление на соответствующий ряд затворов, предназначенных для выпуска воды и препятствующих проникновению ее внутрь.

Может ли такое сооружение стоять на морском дне и не превратиться в раздавленную массу? Сомневающиеся склонны все же говорить: «Ну если Рассел считает это возможным, значит, так оно и есть». Его репутация в данной области действительно очень высока. В том чтобы заставить объекты устоять в море, его специалисты находятся вне конкуренции.

Проект, как сказал мне м-р Рассел, обладает «достоинством исключительной простоты». Это может быть одной из причин того, что проект привлек меньше внимания сравнительно с некоторыми другими. Кроме того, по-видимому, это один из приемлемых проектов для районов с невысоким уровнем прилива, как, скажем, остров Маврикий или Средиземноморье. Он обладает существенным преимуществом перед первоначальным планом Ботта, и это преимущество состоит в том, что при прохождении подошвы волны вода высасывается из нижнего резервуара наружу; эффективность схемы Ботта определялась потенциальной энергией только поднятой воды.

Предполагается, что у реального сооружения мощность будет 10 мВт при погонной плотности 70 кВт/м. Модель в масштабе 1/30 функционирует в Уоллингфорде, на следующем этапе планируется установка в море модели в 1/4 натуральной величины. Другим вариантом, возможно, еще более впечатляющим, будет линия затворов с клапанами, построенных в натуральную величину, поставленная в море независимо от общей схемы сооружения и испытанная в реальных условиях. Это имеет смысл, ибо затворы — единственный блок сооружения, в котором используется новая техника.

М-р Рассел уверен, что они способны противостоять давлению волн; необычным в его эксперименте является естественный и старомодный материал — резина. «Мы пользуемся жесткой резиной, имеющей нечто общее с материалом для покрышек, — говорит он. — Резина очень долго сохраняется в соленой воде, если ее уберегать от солнца. Держите ее мокрой и холодной. На берегу можно найти покрышки, сохранявшиеся в воде 20-30 лет».

Умственная активность является чертой м-ра Рассела. Это высокий, худощавый человек, отчужденный и весьма меланхоличный. Кажется, что целое поколение отделяет его штаб-квартиру в сельской местности Оксфордшира от напористых лабораторий Маргвуда и Восточного Килбрайда. Чувствуется, что м-р Рассел испытывает легкую неприязнь к новым фигурам, появившимся на сцене, хотя он слишком вежлив, чтобы говорить об этом. Его Гидрологическая исследовательская станция уже давно консультирует строительство морских объектов… Он испытывает естественную симпатию к м-ру Ботту — инженеру добротной старинной выучки; оба они очень далеки от крикливой атмосферы, окружающей проект Солтера.

Проекты Маврикия и Гидрологической станции имеют одну привлекательную особенность: оба они предусматривают создание большого искусственного водохранилища, идеального для развития рыбного хозяйства. В нем происходило бы непрерывное обновление морской воды, богатой кислородом и планктоном, а замкнутый водоем можно было бы разделить на плавающие секции для рыб различного вида, без опасности для рыболовства в открытом море.

Схематический план волновой электростанции.

Не следует упускать из вида еще одну положительную особенность, относящуюся и к другим проектам. Есть слово, которое должно огорчать и огорчает нефтяные компании: это «электролиз». При пропускании электрического тока через жидкость молекулы ее расщепляются и распадаются на водород и кислород. Водород можно использовать непосредственно в утилитарных целях, либо в смеси с известняками для получения метанола — жидкого топлива, способного заменить бензин для автомобилей и самолетов. Препятствием к этому до настоящего времени служило то, что для электролиза требуется больше энергии, чем способен дать высвободившийся водород. Процесс, следовательно, нерентабелен. Нет смысла тратить ископаемое топливо, чтобы получать суррогат пониженной калорийности. Но это перестает быть препятствием, когда, по выражению Солтера, «за волны платят боги». Мы можем оказаться на пороге открытия, когда море начнет производить не только электроэнергию, но и горючее, темп потребления которого угрожает нашим нефтяным запасам. Мы можем, действительно, посадить в клетку несколько тигров. «Свободную» энергию волн можно использовать также для работы опреснительных станций. М-р Ботт считает, что наличествующие в мире тенденции усиливают желательность создания автономных общин, способных эффективно удовлетворять свои потребности в энергии, пище, воде и в других предметах первой необходимости (сюда входит и горючее). Проект маврикийского типа стал бы с этой точки зрения «замечательным катализатором такого развития».

Рыболовство, опреснение морской воды и электролиз — не основное назначение волновой энергетики. Они — ее возможный побочный эффект. С ними связаны дополнительные достоинства проекта того типа, который был предложен для Маврикия, либо Гис-выпрямителя или затвора Рассела, если такое название предпочтительнее. Уже по этой причине правительству следовало бы уделить патриархальному Оксфордширу по меньшей мере столько же внимания, сколько уделяется эффективной активности других очагов волновой энергетики.