Энергия волн

Глава 4. Сколько гигаватт?

Каковы возможности волновой энергетики? Идет ли речь о небольшой добавке к техническим средствам, которыми располагают учреждения, удовлетворяющие наши потребности, — скажем, что-нибудь вроде установки нового телефонного коммутатора, который, как нас уверяют, предотвратит сбои при наборе номеров и в конце концов станет незаметным для абонента? Или же речь идет о скачке в технике, который может обеспечить удовлетворение энергетических запросов, когда нефть будет исчерпана, что немаловажно для других стран, чьи ресурсы ископаемого топлива меньше наших, а потребности не уступают нашим? Ответ, исходящий из непредубежденного источника, подразумевает создание системы, способной обеспечивать все наши потребности в электричестве. Такое утверждение требует подробного растолкования с учетом многочисленных «если» и «но». Оно требует ряда определенных условий, но зато и само содержит некоторые обещания, усиливающие привлекательность энергетики будущего.

Предпосылки для принятия решений основываются на исследовании, выполненном Яном Гленденнингом, руководителем тематики долгосрочных изысканий при инженерных лабораториях Центрального электроэнергетического управления в Саутгемптоне. Управлению придется отвечать на бездну вопросов, если погаснет свет и остановятся транспортеры, доставляющие уголь на поверхность. М-р Гленденнинг и его коллеги изучали естественные источники энергии и непредубеждены, так как не выдвигают собственных проектов и не требуют правительственных субсидий. Циник, возможно, усомнится в подлинных мотивах высказывания официальных лиц; однако управление не имеет заинтересованности и, наоборот, не скрывает своей явной приверженности к ядерной энергетике. В раннем отчете управления предполагалось, что альтернативные источники вряд ли будут играть значительную роль, но их возможности следует изучить и продемонстрировать всем, кто выступает против распространения ядерной энергии.

М-р Гленденнинг и его коллеги, не ответственные за этот отчет, изучили проблему со скептицизмом, свойственным ученым, и с осторожностью, которая всегда будет отличать деятельность людей, обязанных обеспечивать снабжение по приемлемой цене. Основная заслуга управления состоит в том, что оно постоянно настаивало на необходимости рассматривать стоимость любого вида энергии. Увлекающиеся люди, как известно, склонны подчеркивать необходимость получения энергии, чего бы она не стоила, когда с ископаемым топливом будет покончено.

Управление появилось на сцене своевременно. В первом большом докладе, составленном группой из восьми ученых и инженеров в 1975 г., делался вывод, что нет никакого нового источника энергии, «который выглядел бы экономически привлекательным в настоящее время». И осторожно добавлялось: «Любой из источников энергии (солнечной, ветровой, волновой, приливной и геотермальной) может в определенных обстоятельствах служить альтернативным, и выбор одного не представляется очевидным». Но уже в апреле 1976 г. министерство энергетики опубликовало заключение, что «энергия океанских волн по самой своей сущности привлекательнее других видов», и примерно уже тогда м-р Гленденнинг разделял эту мысль.

М-р Гленденнинг представляет собой тип человека деятельного, гибкого и реалистичного, который не преминет первым воскликнуть, что король — голый. Он быстро соображает и в любом споре, бросая вызов, устраивает чехарду, прыгая, так сказать, через голову оппонента, прежде чем тот успеет ухватить предшествующий аргумент. Машину он водит быстро и уверенно — в этом, как и в других его ярких проявлениях, выражается стиль настоящего мужчины. Он способен сказать то, что другие не решатся, и доказал это.

В исследовании, посвященном морской энергетике, опубликованном в «Химии и индустрии» 16 июля 1977 г., он говорит: «Если мощь волн использовать рационально, реализация их потенциальных возможностей у западного побережья Объединенного королевства превысит уровень электроэнергии, вырабатываемой в настоящее время». И далее в той же статье: «На побережье диссипирует около 120 ГВт волновой энергии, что пятикратно превышает запрос Электроэнергетического управления». Наконец, на Международной океанологической конференции в Брайтоне в марте 1978 г. м-р Гленденнинг повторил свое заявление перед выдающимися специалистами, сославшись на энергетический «потенциал» 120 ГВт, и добавил: «Во всяком случае, мы можем быть уверены, что система протяженностью 20-30 км окажется „эквивалентом электростанции мощностью 1500 МВт”». Такое утверждение означало переворот во взглядах.

Рассмотрим его подробнее. «Гигаватт» — словцо из тех, от которых у людей лезут глаза на лоб. Один гигаватт состоит из 1000 мегаватт или 1000 000 киловатт, т.е. обеспечивает миллион однополосных электроплит. А 120 ГВт — 120 миллионов таких плит. Электроэнергетическое управление располагает в настоящее время общей мощностью 60 ГВт, а наши средние запросы ниже 30 ГВт. Таким образом, мощность волн примерно пятикратно превышает наши средние нужды.

Здесь обыватель испытает искушение поразмыслить, как воспользоваться обретенным богатством. Кому в самом деле нужна пятикратная норма электроэнергии? В наших рассуждениях уместна осторожность. Об этом говорили мне несколько человек, включая и м-ра Гленденнинга, и я не хочу пренебрегать их предостережением.

Воспользуемся прежде всего разъяснением м-ра Клива Гроув-Палмера, ответственного секретаря Руководящего комитета по волновой энергетике, который попечительствует над всем проектом из штаб-квартиры в Харуэлле. Он интерпретирует дело следующим образом. «Уменьшим ваши 120 ГВт вдвое с учетом полезной отдачи и еще вдвое — за счет потерь при передаче энергии. Пусть средняя мощность составит 50 кВт/м, тогда сооружения протяженностью 1000 км дадут только 12 ГВт». Только. Даже при такой весьма осторожной оценке мы в состоянии удовлетворить приблизительно половину электроэнергетических потребностей, не прибегая к ископаемому топливу. Если это не переворот, то что это? Учтите также исключительный пессимизм м-ра Алекса Иди, заместителя министра энергетики, утверждающего, что к 2000 г. доля мощности сети на выходе, приходящаяся на новые источники энергии, составит лишь 3%. Заметим наконец, что есть специалисты, полагающие, что потери на каждой стадии получения и передачи энергии составят не половину, а всего 10%.

Обратимся к собственным оговоркам м-ра Гленденнинга. Он подчеркивает, что его 120 ГВт относятся к западному побережью Англии и Ирландии; на отдельных участках побережье севернее Гебридских островов может оказаться недоступным для экономической эксплуатации, а передача энергии — затруднительной, если не невозможной. Однако в статье, опубликованной в марте 1978 г., он предлагает расширить операцию, разместив оборудование на северо-восточных берегах Англии, ближе к индустриальным центрам, нуждающимся в энергии. Он утверждает, что мощность на входе, равная 50 кВт/м, является осредненной величиной, считая, что в пике она может достигать 150-200 кВт/м «в силу случайной природы волнения[21]». При коэффициенте использования энергии около 60-70% выходная мощность составит 30-35 кВт/м. Сохраняя 80% энергии после трансформации и 90% после передачи, получим среднюю мощность, доставленную на берег, — 24-30 кВт/м. Это согласуется с мнением м-ра Гроув-Палмера, допускавшего, что на выходе сохраняется 25% энергии. Оценка не должна вводить в заблуждение: при благоприятных условиях коэффициент использования может возрасти до 60% или же составить всего 1-2%, когда устройства не смогут принимать энергию — при слишком сильном волнении или отсутствии его. М-р Гленденнинг считает, что линия приема энергии протяженностью 1500 км может дать 36-45 ГВт. Это не особенно отличается от более осторожной оценки м-ра Гроув-Палмера, учитывающей тысячекилометровый базис, если принять во внимание возможность максимального приема мощности на входе 150-200 кВт/м по Гленденнингу. Он также считает, что полезная мощность составит 25% энергии, поступившей на волновые генераторы. Он обратил мое внимание на то, что если уровень поступающей волновой энергии в прибрежном районе моря окажется приемлемым, — а на станции «Индия» этот уровень выше, — то можно будет уменьшить размеры и стоимость систем, устанавливаемых мористее. М-р Гленденнинг добавил: «За последние четыре года я усвоил, что волновая энергетика полна сюрпризов; со многими из них мы уже столкнулись и, я буду не я, если впереди нас не ожидает еще большее число неожиданностей».

Я остановился на оговорках, чтобы не создавалось впечатление, будто разрешение энергетического кризиса только и ожидает, чтобы министр проснулся; если бы дело было за этим! Но есть, однако, задачи, которые решаются, на мой взгляд, слишком медленно, без ощущения безотлагательности, продиктованной ситуацией, когда мы — по словам Коккереля — проматываем собственный капитал.

С другой стороны, для равновесия позвольте мне упомянуть об одном аспекте проблемы, кажущемся не актуальным, но приобретающем все большее значение. Каковы соображения, относящиеся к установке линии сооружений за «фронтальной» чертой моря? Предположим, что линия установки генераторов перенесена из Атлантики в море, которое на некотором участке спокойно. Тогда прием энергии должен производиться на позиции, удаленной в сторону океана, и расстояние от берега до нее должно быть около 160 км, чтобы ветер генерировал волнение, достаточное для самоокупаемости новой линии устройств. Вместе с тем рассмотрим идею размещения генераторов вдвое меньшей мощности в более спокойном море, на расстоянии 80 км от первой линии. Сейчас у нас недостаточно данных, чтобы надежно судить о степени рентабельности проектов. Сооружение может быть дешевле и производить меньше энергии, но зато ее производство и работы по установке сооружения в море окажутся проще. Таким образом, можно представить себе два эшелона сооружений, мощность одного составит 12-45 ГВт, а второй, облегченный и более дешевый, будет менее производительным. Управлению предстоит выработать то, что могло бы рассматриваться в привычных терминах как оптимальная стратегия при выборе между высокой производительностью и допустимым риском.

Распределение плотности волновой энергии.

Существует тенденция отдавать предпочтение сооружениям уменьшенного типа перед теми, которые сегодня именуют полногабаритными; если разместить такие сооружения не за Внешними Гебридами, а в сравнительно спокойных водах, они дадут меньше, зато создание и обслуживание их обойдутся дешевле.

Медаль имеет две стороны, и можно либо удовлетвориться менее радужной перспективой, либо, — присоединив к основной производящей станции последовательность других, различных по размерам, возможностям и принципам, — расширить функциональную гибкость источника.

Сказанное, на мой взгляд, дает достаточное истолкование приемлемым вариантам, отвечающим перспективному уровню 120 ГВт, цифре, которая, будучи взятой сама по себе, может ввести в заблуждение. Следует, однако, сознавать, что, если от нее останется всего 25% или и того меньше, оценка все равно представляется состоятельной, чтобы стронуть с места энергетическую волновую программу.

Эта цифра, 120 ГВт, мне кажется, отражает реальную перспективу, и потому я уделил ей так много внимания; вернемся к статье м-ра Гленденнинга — важнейшему документу в сегодняшней полемической свистопляске, содержащему наиболее авторитетное исследование предмета. Статья появилась в то время, когда считалось хорошим тоном чернить проекты использования необычных энергетических источников. Официальная позиция министерства энергетики, провозглашенная доктором Фредди Кларком, главой исследовательского отдела в Харуэлле и ключевой фигурой в правительственных кругах, занятых энергообеспечением будущего, состоит в том, что альтернативные источники «похоже, внесут лишь небольшой вклад» в этом столетии, но возможен «взлет в использовании их в первые десятилетия следующего века». Если принять это, то трудно оспаривать заключение министерства и некоторых лиц из Электроэнергетического управления о необходимости развивать ядерную энергетику. Это принимается как стандартная мудрость большинством наших ученых, готовых повторять слушателям о том, как удобно нажимать кнопку и получать дешевую энергию.

Совсем недавно я смог сообщить некоторым ведущим специалистам, что волны в состоянии удовлетворить все наши потребности в электричестве, а также в бензине, при условии осуществления «гидрогенной экономической политики», не загрязняющей среду (об этом ниже). Ответная реакция ядерщиков из министерства энергетики варьировала от уничтожающего взгляда до угрожающего требования «повторить это еще раз». В действительности никто не настаивает на том, чтобы отказаться от всех источников энергии, кроме волнового. Можно отстаивать, конечно, точку зрения, что волны содержат такое количество энергии, что можно рассматривать их как преимущественный источник. Позвольте мне привести здесь основные тезисы статьи Гленденнинга.

М-р Гленденнинг отмечает, что первым практически важным проектом была утка Стефана Солтера с эффективностью поглощения волновой энергии, превышающей 80%. «Как уровень использования энергии, так и модульный тип конструкции означает, что появился потенциально привлекательный источник получения энергии, который может быть усовершенствован и всесторонне испытан без чрезмерных затрат, таких, например, каких требует содержательная программа строительства приливной станции». Говоря о «модульном типе конструкции», м-р Гленденнинг указывает на большое значение волновой энергетики для судостроительной промышленности. Это означает, что, выбрав подходящий тип конструкции, можно удешевить производство. В отличие от приливной плотины, построенной раз и навсегда, волновые генераторы можно воспроизводить неограниченно, начав, скажем, с некоторого типа плота и цепочки уток, и совершенствовать конструкции до получения удовлетворительных в требуемом смысле результатов.

М-р Гленденнинг уделил внимание тому, что имеет для управления принципиальное значение, — стоимости. Существует мнение, что это вторичный вопрос, когда обсуждается не то, сколько денег мы готовы вложить в электрификацию, а есть ли такие деньги вообще. Для политиков и аппарата национализированной промышленности — это область самоутверждения. М-р Гленденнинг говорит: «Предпочтительной установкой всегда будет такая, которая в состоянии встретить изменения в процессе производства при минимуме общих затрат. Следовательно, каждое новое устройство оценивается с точки зрения соотношения между стоимостью размещения, эксплуатации, содержания и общей экономией, учитывающей в первую очередь стоимость дорогостоящего топлива, — экономией, которую эта установка может обеспечить при функционировании.

Характер электроспроса приводит к появлению оптимизированной совокупности энергоустройств, которые при высоких капитальных затратах в сочетании с дешевым ядерным топливом предназначаются для длительного использования; средняя величина капитальных вложений и стоимости топлива — для умеренных энергонагрузок, а дешевые, легкосоздаваемые устройства, например газовые турбины, — для пиковых режимов, невзирая при этом на высокую стоимость топлива.

Несмотря на даровое «топливо», волновые электростанции, учитывая их установку и содержание, будут дорогостоящими, поэтому, как и в случае с другими сооружениями, требующими больших капитальных затрат, например атомными электростанциями, следует рассчитывать на их длительное использование, поскольку самоокупаемость определяется стоимостью топлива, сэкономленного за период их жизнедеятельности».

Я привел пространную цитату, превосходно выражающую взгляд, которому я не симпатизирую, и потому предоставляю ему достаточно места. Грубо говоря, аргументация м-ра Гленденнинга состоит в том, что ядерная электростанция обходится в уйму денег, но, используя дешевое «горючее», она окупится, если будет рассчитана на длительную жизнедеятельность. Производство же газовых турбин, напротив, обходится дешево, но так как топливо, используемое турбинами, сравнительно дорогое, использовать их есть смысл лишь в период максимального спроса на электричество. Исходя из этого, создавать волновые генераторы имеет смысл лишь в том случае, если они будут крутиться почти безостановочно, составляя конкуренцию дешевой ядерной энергии. Я считаю, что подобное рассуждение игнорирует социальный аспект понятия «стоимость». Мы знаем, что запасы ископаемого топлива, а также урана конечны и рано или поздно иссякнут. Мы знаем, что это топливо загрязняет среду и опасно. Нет уравнений, учитывающих эти факторы. Но как только дело доходит до денег, начинается другой подсчет.

Есть еще одно сдерживающее обстоятельство. «Большая часть электростанций, — утверждает Гленденнинг, — может работать с той мощностью, которая отвечает уровню спроса; соответствие между количеством вырабатываемой энергии и требованиями сети приближается к 100%. Однако волновая энергия, как и ветровая, зависит от капризов погоды и, следовательно, не обеспечит столь высокого соответствия, если, конечно, не производить сопоставление на весьма низком уровне потребностей». Первое, что мне пришло в голову в ответ на это замечание, это то, что ядерные электростанции 18 месяцев простаивали из-за неполадок, а остальное время их производительность составляла 40-60% нормы. М-р Гленденнинг уставился на меня, сверкнув глазами. «Ха, — сказал он, — вы говорили со Стивеном». Действительно, я видел Солтера. Семья волновых энергетиков кровосмесительна. М-р Гленденнинг продолжал настаивать, что ядерная энергия самый удобный источник, несмотря на недостаточную работу отдельных станций. И на самом деле, его замечание по поводу колебаний мощности волновой энергии покажется значительным каждому после первоначальной эйфории. Как справедливо упоминалось, море свирепее и продуктивнее зимой, когда мы более всего нуждаемся в энергии. Но при детальном рассмотрении становится ясно, что даже глубокой зимой энергии может оказаться недостаточно в силу бурного режима, которым характеризуется в этот период Северная Атлантика. Бывают и двух-трехдневные периоды неожиданного спокойствия. Решить эту проблему можно было бы, расширив районы установки сооружений, ибо редко бывает, чтобы волнение одновременно отсутствовало и в Северной Атлантике, и в Северном море, и у островов Силли, и в Ирландском море, и на подходе к Бристольскому заливу. М-р Гленденнинг сам помог ответить на этот вопрос. В июле 1977 г. в цитированной работе, опубликованной в журнале «Химия и индустрия», он представил карту дислокации генераторов за Внешними Гебридами и островами Силли. Девятью месяцами позднее он представил новую карту дислокации на северо-восточном берегу Англии и поперек Бристольского залива и Ирландского моря.

Дополнительным ответом является расширение использования гидроаккумулирующих станций. Заметим, что сейчас, используя эти станции, мы расходуем энергию. Чтобы закачать воду наверх, затрачивается четыре единицы электричества, после чего при падении вода производит три единицы электричества. В случае с ископаемым топливом это мотовство; если же работает море, то, цитируя Солтера, «нет забот, пока за волны платят боги».

И все же мы должны искать решение для ситуации, когда Северная Атлантика спокойна, а другие районы относительно непродуктивны, чтобы работающие женщины, возвратясь домой около 5 часов пополудни, могли включить свои электрические плиты, котлы и печки — или просто посмотреть популярную телевизионную программу. В какой степени гидроаккумулирующие системы смогут доказать свою состоятельность? Сегодня их запасов хватило бы на пять часов работы и на следующий день начались бы неприятности. В такой ситуации каждый был бы доволен, что не прикрыты все остальные источники энергии, как «доброкачественные», так и «злокачественные». Тогда мы действительно должны были бы воззвать к обычным и, возможно, к ядерным источникам. Никто и не предлагает отказаться от всего, кроме волн. Ристалище, на котором общественное мнение бросает вызов мудрости чиновников управления, — это стоимость. Если приходится платить больше за электричество от волн, то необходимо осознать, что альтернативой является использование хоть и более дешевого, но ограниченного топлива, которое в один прекрасный день может иссякнуть, прервав увеселительную прогулку.

Вернемся к докладу м-ра Гленденнинга. Он подчеркивает, что нужны такие конструкции, потери на ремонт и обслуживание которых были бы минимальны. Он подсчитал, что «потеря двух месяцев в году на ремонт и «погодные окна» в сочетании с затратами на эксплуатацию, составляющими в год лишь 6% капитальных затрат, может удвоить стоимость вырабатываемой энергии».

М-р Гленденнинг красноречиво и убедительно аргументирует свои соображения и извиняется, когда чувствует, что несколько перегибает палку в дискуссии с коллегами, которых он уважает. Его энтузиазм, точность восприятия, применение научного метода к тому, что на данном этапе представляется ему романтической идеей, дают интересный образец бушующих эмоций в сфере, связанной с проектом.

Он и его коллеги из Марчвуда внесли в дело свой полезный вклад. Ранние эксперименты сэра Кристофера Коккереля проводились со связкой из семи понтонов. Управление сумело показать, что эту установку можно выполнить из трех и даже из двух понтонов таким образом, чтобы сочетание неподвижного и подвижного приводило к рациональности энергетической конструкции.

Эффективность при этом повышается поразительно, размеры понтона можно уменьшить со 120 до 80 м, значительно сэкономив на этом. Но м-р Гленденнинг полагает, что общая эффективность обеспечивается только «при подсоединении» уток Солтера; окончательное суждение таково, что утка, по-видимому, будет более дорогостоящей в производстве и эксплуатации, но весьма производительной, тогда как понтон, строительство которого обойдется дешевле, а эксплуатация окажется проще, будет производить сравнительно меньше электричества. Идеальным было бы разместить утки в Северной Атлантике, а понтоны — в Северном море.

Иллюстрацией осторожности, свойственной подходу м-ра Гленденнинга, служит его замечание о диаметре опорной трубы, на которой крепятся утки, равным 15 м, «что чрезвычайно много по обычным инженерным стандартам, не очень-то соответствует размеру опор для обычных сооружений в море и создает трудности с изоляционными работами. Устройства будут функционировать в морской воде, и без надежной изоляции длительность их жизни окажется очень неопределенной». Да, это так. Но отметим разницу между замечанием, что размеры опорной трубы затрудняют изоляцию, и экстраполяцией этого замечания, что без изоляции нас ждут значительные неприятности.

Я оставил напоследок его самое четкое утверждение: «Система длиной 20-30 км представляла бы эквивалент электростанции мощностью 1500 МВт». При наименее благоприятной цифре — 30 км, т.е. при наибольшей длине системы это означало бы, что удовлетворение нашего среднего спроса — 30 гВт — потребует волно-энергетических конструкций протяженностью 600 км вместо линии протяженностью 1000 км, которую обычно называют самые оптимистичные изобретатели и те, кто их поддерживает. Но теперь читатели уже понимают, что цифры требуют чрезвычайно скрупулезной интерпретации. М-р Гленденнинг делает различие между установленной мощностью генератора и средней производительностью электростанции, и это возвращает к его первоначальной оценке — 1500 км. Он добавляет, что остается еще проблема гарантированной подачи энергии при отсутствии волнения. Это уже обсуждалось, но будет рассмотрено дополнительно в связи с гидроаккумулирующими системами. При всех отмеченных оговорках существо дела и представление о волновой электростанции не меняются.

Основные выводы м-ра Гленденнинга, составляющие суть проекта, должны быть начертаны большими буквами на стенах министерства энергетики:

1. Все исследования дают основание полагать, что получение волновой энергии будет технически осуществимо и, насколько представляется, экономично.

2. Побережье Англии и Ирландии обладает «энергетическим потенциалом» 120 гВт, что в пять раз превышает установленную норму энергоснабжения страны.

3. Система протяженностью 20-30 км будет осуществлять непрерывную подачу энергии и при погонной мощности 50 кВт/м будет эквивалентна электростанции мощностью 1500 МВт.

Смотрите на эти выводы как вам заблагорассудится, занижайте цифры с учетом потерь на получение энергии, ее переработку и передачу — и все же остается упрямый факт: последнее и самое обоснованное утверждение официальных лиц ясно свидетельствует, что волны могут производить всю необходимую нам электроэнергию.