28.12.2010 00:10

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.

Фото: Фото: AP

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.

Фото: AP

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.

Фото: AP

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.

Читайте также: Динамо-машина на хлорофилле

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!

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"