В предлагаемой книге обсуждается возможность использования энергии морских волн. Это не фантастика и не завтрашний день. Это уже существующее направление, и вопрос лишь в том, в какой мере надлежит стимулировать его развитие.
Вопрос труден, ибо он связан со многими противоречивыми аспектами планируемой энергетической политики.
Уровень развития энергетики является показателем экономического развития и необходимым его условием. В настоящее время спрос на дешевую первичную энергию значительно превышает предложение и в западном мире чувствительно ощущается ее нехватка. Это приводит к свертыванию ряда направлений в автомобильной промышленности, судостроении и авиации, оказавшихся несостоятельными перед лицом энергетических трудностей, а также к отказу от перспективных, но энергоемких технологий в сталелитейной и химической промышленности. Существующий уровень энергопотребностей не позволяет перейти к освоению новых обширных территорий. Наконец, существующие потребности в энергетическом топливе не позволяют обратиться к использованию угля и нефти, более рациональному, нежели их простое сжигание, невзирая на катастрофические последствия для окружающей среды. Такова реальность.
А каково будущее? Специалисты считают, что в ближайшие десятилетия потребность в энергии, в первую очередь — в электроэнергии, будет бурно расти. Это связано с ростом народонаселения, продолжающейся индустриализацией, автоматизацией процессов и развитием транспорта. В настоящее время более половины потребностей в энергии приходится на промышленно развитые страны и на 6% населения Земли приходится более 7 кВт на человека, а в 80 странах третьего мира — лишь 0,2 кВт на человека. Вместе с тем именно развивающиеся страны, в которых проживает более 2/3 населения земного шара, представят энергетический рынок огромной емкости, заполнение которого необходимо для их экономического развития. К этому следует добавить, что при прогнозируемых среднегодовых темпах прироста энергии (4%) мировые запасы нефти будут исчерпаны приблизительно за 40 лет, газа — за 50 лет и угля — за 70—110 лет.
Переживаемые трудности и требования завтрашнего дня определяют структурные изменения в мировом энергохозяйстве. Основная тенденция заключается в строительстве атомных электростанций и постепенном вытеснении угля и нефти ядерным горючим в качестве основного энергоносителя. Появившееся третье поколение атомных электростанций с реакторами-размножителями на быстрых нейтронах является энергообъектом, перспективность которого связана с тем, что в нем воспроизводится больше ядерного топлива, чем расходуется для получения тепловой энергии. Более отдаленная, но и несравненно более грандиозная перспектива связана с управляемыми термоядерными реакциями, в которых энергия получается за счет дефекта массы, например, в процессе слияния двух ядер тяжелого водорода (дейтерия), имеющегося в морской воде, в ядро гелия. Создание электростанции на таком принципе представит практически неисчерпаемый источник дешевой энергии. Предполагается, что прототипная установка, использующая технологию ядерного синтеза, появится уже к концу столетия.
Таково будущее. Оно радужно, но, к сожалению, несколько отдаленно и неопределенно, как, впрочем, и положено быть будущему. На подступах к нему мировая энергетика под давлением усиливающегося спроса осваивает новые энергоисточники. В этом ряду наиболее привлекательным представляется использование энергии Солнца, внутреннего тепла Земли и энергии океана. Исследования в этой области неуклонно развиваются и действие первых установок уже начинает несколько сказываться на энергобалансе отдельных стран.
Реальные возможности промышленного использования энергии Солнца связаны со строительством больших электростанций башенного типа, повышением эффективности термодинамических преобразователей, а также с разработкой химических технологий типа фотосинтеза. Ежегодные капиталовложения в гелиоэнергетику быстро растут. Так, в США, например, они сейчас уже составляют более половины вложений в строительство электростанций.
Еще более определенные перспективы связаны со строительством геотермальных электростанций, утилизирующих тепло подземных горячих источников. Общая мощность уже работающих в мире установок превышает 1400 мВт, что составляет около 1% мировой выработки электроэнергии.
Таким образом, мы являемся свидетелями мобилизации всех возможностей современной науки и техники для решения актуальных задач энергетики. Широкий фронт работ включает самые разные, еще вчера казавшиеся фантастическими, направления, от строительства крупных, более 1000 мВт, атомных электростанций до создания синтетических энергоносителей и от исследований по управлению термоядерной реакцией до первых опытных и промышленных образцов утилизации энергии Солнца, тепла Земли и ветра. Видное место в этом ряду занимают работы по исследованию энергии океана.
Существует ряд мест с высоким уровнем прилива, где планируется установка мощных приливных электростанций (заливы Кука (США), Сен-Мало (Франция), Фанди (Канада), Пенжинская губа (СССР)). В настоящее время существует несколько действующих опытных ПЭС; в 1981 г. ожидается пуск трех сравнительно крупных станций в Канаде общей мощностью 5600 МВт.
Разработки в стадии проектного рассмотрения относятся к созданию термальных установок для отъема тепловой энергии слоев тропических морей и размещения ряда крупных турбин, утилизирующих энергию Гольфстрима и Куросио. Эти проекты финансируются, и реализация некоторых из них ожидается в 1990-2000 гг.
Однако самым грандиозным и смелым направлением в энергетике океана является появившаяся лишь несколько лет назад волновая энергетика. Впечатляющей является сама идея получения энергии от морских волн в больших масштабах, хотя эта возможность и не связана с каким-либо выдающимся изобретением, знаменующим событие в технике. Она выступает как результат и выражение достаточно высокого научно-технического потенциала, и сегодня вопрос стоит не о принципиальной реализуемости волновых электростанций, а о том, насколько их появление оправдано и увязано с необходимостью удовлетворения комплексу требований, среди которых собственно энергетические проблемы не являются самодовлеющими. Сюда относится в первую очередь все более отчетливо осознаваемая необходимость изменения структуры энергоносителей путем развития альтернативных (по отношению к нефти и углю) источников энергии для уменьшения загрязнения среды и создания предпосылок внедрения рациональных технологий переработки ископаемого топлива. Появление и развитие волновой энергетики свидетельствует о ее способности стать одним из фрагментов сложной картины энергетики будущего.
Волновая мощность Мирового океана оценивается в 2,7 млрд кВт, что составляет около 30% потребляемой в мире энергии. Целесообразность установки волновых электростанцией определяется региональными особенностями и прежде всего плотностью приходящей энергии — ее величиной на единицу длины волнового фронта. Некоторые промышленно развитые западные страны имеют шельфовую зону с высокой концентрацией волновой энергии; на участках прибрежной зоны США и Японии, где планируется размещение станций, она составляет около 40 кВт на метр волнового фронта. Еще более благоприятны в этом смысле условия на западном побережье Англии; в районе Гебридских островов, например, удельная мощность фронта достигает 80 кВт/м.
Волновые электростанции сравнительно недешевы. Это понятно, если представить их жизнедеятельность в условиях, когда эффективность возрастает с ростом агрессивности среды. Удельная стоимость их составляет 4000 — 5000 фунтов стерлингов на 1 кВт вырабатываемой энергии, в то время как стоимость тепловых и атомных электростанций — 500 — 1000 фунтов стерлингов на 1 кВт.
Функциональный принцип работы волновой электростанции состоит в преобразовании потенциальной энергии волн в кинетическую энергию пульсаций и оформлении пульсаций в однонаправленное усилие, вращающее вал электрогенератора. Каждая из стран выдвинула собственные варианты реализации этого принципа. Так, преобразователи энергии морских волн, разработанные в Японии, основаны на вытеснении воздуха из ограниченного объема при колебании поверхности воды с подачей воздуха на воздушную турбину. В настоящее время в Японском море испытывается плавучая электростанция «Каймей», выполненная по проекту с участием США, Канады и Англии, мощностью 330 кВт и стоимостью 140 млн. йен. Целью исследований является снятие характеристик воздушных турбогенераторов с помощью телеметрической аппаратуры, определение демпфирующего эффекта при отборе энергии волны, опробование системы крепления станции морскими якорями и испытание систем передачи электроэнергии на берег. Промышленный образец будет иметь 9 воздушных турбин общей мощностью 2 МВт. Помимо этого, с 1978 г. в морских условиях работают около 300 преобразователей небольшой мощности, обеспечивающих задачи навигации.
