Из любой ситуации можно извлечь выгоду. Это отнюдь не нравоучение, но подсмотренный у природы фундаментальный закон: если где-то убыло, значит, в другом месте прибыло. Руководствуясь этим принципом, американцы решили использовать для производства электроэнергии турбулентность воды, с которой долгие годы борются нефтяники и прочие владельцы сооружений в открытом море.
Поведение жидкостей может быть двух типов – спокойным и неупорядоченным. Первый из них, естественно, существует в основном как теоретическая абстракция, а на практике любые течения характеризуются относительной хаотичностью, проявляющейся в том числе в непредсказуемых завихрениях.
Управлять турбулентностью воды – дело непростое, поскольку уследить за «пульсациями» в каждой конкретной точке решительно невозможно. Однако какие-то статистические описания этого процесса есть, и их уже давно пытаются использовать в конкретных приложениях.
Нужно это вот зачем. Когда морские потоки огибают округлые препятствия, например опоры плавучих буровых платформ или телекоммуникационные кабели, возникают небольшие, но множественные мини-водовороты.
Они постепенно «рассасываются», однако энергия их уходит в том числе в вибрацию подводной части сооружений, тем самым постепенно её разрушая. Специалисты уже давно бьются над этой проблемой, разрабатывая гасители колебаний и разнообразные противовесы. И это им – с переменным успехом – удаётся.
Однако учёные из университета Мичигана (University of Michigan) под руководством Майкла Берницаса (Michael M. Bernitsas), долгое время изучавшие беспокойный гидродинамический феномен, решили превратить его из головной боли в источник энергии – путём преобразования механических колебаний в электричество.
«Около четырёх лет назад меня словно осенило: а ведь можно извлекать энергию из вибраций! — поясняет профессор Берницас. – Со времён Леонарда да Винчи, который первым наблюдал этот эффект в 1504 году, никто не задумывался над возможностью его практического использования».
С самооценкой у американца никаких проблем точно нет. Идея показалась ему настолько удачной, что с целью её монетизации он создал компанию Vortex Hydro Energy.
Стоит признать, что партнёры у Vortex достаточно серьёзные — Министерство энергетики (DoE) и Управление военно-морских исследований США (Office of Naval Research). По крайней мере, если судить по информации, представленной на сайте компании.
Заинтересованность «альтернативой» военных и специальных служб, денно и нощно пекущихся о национальной безопасности, вполне понятна. И даже возможное падение цен на нефть до «комфортного» уровня (а с пиковых значений летом этого года цена барреля упала более чем в два раза – до $60) – делу не помеха.
Бюджеты-то уже освоены. Да и перспективы действительно есть: эксперты из Ассоциации по продвижению морских возобновляемых источников энергии (OREC) подсчитали (PDF-документ), что океанические течения могут обеспечить до 10% ежегодной потребности американцев в электроэнергии.
А поскольку США – четверть мирового потребления, ясно, что «подводные» технологии могут быть достаточно актуальными и для других стран с протяжённой береговой зоной. В Великобритании, к примеру, этим уже активно пользуются.
Вообще говоря, в последнее время наблюдается значительная активизация разработок в этой области. Для преобразования механической энергии волн были предложены самые невероятные схемы: это и «традиционные» подводные турбины, и ахимедовы буи, и железные водоросли, и даже такие фантастические сооружения, как австралийский Oceanlinx, спущенный на воду в 2004 году.
Реального успеха, впрочем, добились немногие. Точнее, это удалось лишь компании Pelamis Wave Power, которая в конце октября нынешнего года ввела в строй первую в мире волновую электростанцию мощностью 2,25 мегаватта (этого хватает на 1600 домов) у берегов Португалии. Остальным проектам пока повезло меньше, и они не продвинулись дальше лабораторной или даже проектной стадии.
Одной из основных проблем являются естественные ограничения по применению: чтобы подводные мельницы работали, скорость потока должна быть не ниже определённого уровня. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Environmental Health Perspectives, пороговое значение составляет шесть узлов (около 11 км/ч). В то же время скорость большей части морских течений составляет менее трёх узлов.
Именно относительную независимость новой технологии от этого важного параметра разработчики из Vortex считают своим основным достижением.
«Гидрокинетической энергии много, но забрать её у океана не так-то просто. Моё устройство позволит это делать при скорости около одного узла», — утверждает профессор Берницас.
Прототип подводной электростанции представляет собой площадку из цилиндрических колебательных перекладин, расположенных горизонтально и особым образом закреплённых. Завихрения, возникающие при обтекании, передаются на вертикальные опорные колонны посредством вибраций.
Далее механическая энергия сжатия преобразуется в электричество – с помощью роторного либо линейного генератора (в последнем используются подвижные магниты).
Такое устройство и обеспечивает бóльшую энергоэффективность в сравнении с «прямолинейными» турбинами. Например, при скорости течения 3 узла система VIVACE из одного кубического метра воды извлекает 50 ватт, в то время как на Pelamis этот показатель составляет 21 ватт. А первые лабораторные испытания были успешно проведены при скорости 1,6 узла (0,8 м/с).
В настоящее время инженеры из Vortex работают над повышением эффективности отдельных компонентов системы, в целом полагая, что она «вполне пригодна к использованию». Впрочем, по мнению специалистов из Института исследований электрической энергии (Electric Power Research Institute), данная технология пока сыровата и находится «на очень ранней стадии».
Майкла Берницаса это не смущает, зато озадачивает бюрократия: «Необходимо пройти от 20 до 25 различных инстанций, чтобы получить все согласования». Оказывается, работы, связанные с гидросооружениями, в США попадают под очень жёсткое регулирование.
Несмотря на все сложности, американцы надеются запустить первую рабочую электростанцию на реке Детройт уже в 2009 году.