Проф. И.А.СТЕПАНЮК,
РГГМУ, г. СанктПетербург
Неожиданные источники электроэнергии
Все уже привыкли к тому, что электроэнергия при использовании природных процессов получается за счёт стока рек, точнее, за счёт стока воды из водохранилищ, а ещё точнее – за счёт перепада уровня в оды в водохранилище и в реке. На таком принципе работают все гидроэлектростанции. Аналогичный принцип – перепад уровня – используется в приливных электростанциях. Здесь возникают проблемы накопления воды для круглосуточного поддержания этого перепада. Но всё это – известные пути получения электроэнергии. Однако энергия рек или приливов не бесконечна. Возможности зарегулирования речного стока ограничены. На всех реках невозможно поставить ГЭС. Невозможно в любом месте поставить приливную электростанцию, хотя приливы существуют в Мировом океане повсеместно. Увы-увы!
Однако человечество требует всё больше и больше электроэнергии. А где же её взять? Да и не каждая страна имеет возможность строить ГЭС или АЭС. И отношение народа к строительству АЭС не очень положительное («Пусть где-нибудь, но только не рядом с нами»). Такие страны вынуждены электроэнергию покупать.
Но попробуем рассмотреть некоторые неожиданные пути получения электроэнергии, которые могут найти применение в XXI веке.
Рис. 1. Котловина Каттара и проект канала
Ад на земле. На севере Африки (рис. 1) находится котловина Каттара. Это гигантских размеров «сковородка» в северо-восточной части пустыни Сахара. Её нижняя точка находится на отметке 135 м ниже уровня моря. Там нет ни капли воды, никогда не бывает дождей. Форма «сковородки» близка к овальной, по большой оси примерно 300 км, а по малой – около 200 км, т.е. примерно половина такой страны, как Швейцария. Каттара – абсолютно безжизненное пространство. Люди очень редко сюда попадают. А если уж приходит нужда, например, при топографических съёмках, то идут очень хорошо экипированными.
Дно котловины Каттара каменистое и покрыто почти непроходимой соляной коркой. Безжалостное солнце безумно раскаляет всё вокруг. Солнечный свет, отражённый от соляной корки, режет глаза, вытерпеть его невозможно. Конечно, здесь нет не только людей, но даже никаких пустынных животных. Сюда не прилетают птицы, им здесь нечего есть и пить.
При всём при этом всего лишь на расстоянии 80 км от северного края этого ада располагаются прекрасные пляжи Средиземного моря. Совсем недалеко, на побережье, уютно расположился знаменитый Эль-Аламейн. К западу от Каттары в пустыне имеется крупный оазис Сива, а к востоку – оазис Магра. Там, как обычно в оазисах, есть вода и много растительности. Но всё, что находится вокруг, – это не для Каттары. Поневоле кажется, что дьявол специально соорудил такую сковородку либо как испытательный полигон, либо ещё для каких-нибудь непонятных нам целей.
Что же получается? Рядом обилие средиземноморской воды, влажный морской воздух, но ни одно облако ветер не приносит в Каттару. Почему? Дело в том, что между побережьем Средиземного моря и Каттарой расположен горный хребет. Название довольно условное, поскольку самая большая высота этого хребта 230 м. Но и этой высоты хватает, чтобы задерживать влажный воздух. А оазисы – это всего лишь небольшие «пятна» с вод ой из-под земли на пространстве пустыни. Кто бывал в Египте, тот представляет такие контрасты. Буквально в сотне метров от зеленеющих полей – уже безводный песок или камни. Например, вы переезжаете Нил вблизи города Луксора (бывшие Фивы), чтобы попасть в знаменитую Страну Мёртвых, и, чтобы сфотографировать статуи, стоящие на входе в эту страну, отступаете к самой границе рисового поля. А по другую сторону этих статуй – уже пустыня.
Энергия из контрастов. Контрасты, контрасты... Но ведь всегда контрасты можно как-то использовать. Контрасты температур, например, используются в различных типах электростанций. А уж здесь, в Каттаре, совсем уж уникальные условия: не только контрасты температуры, но и контрасты топографии. А что если провести канал длиной 80 км от Средиземного моря к котловине? Естественно, инженеры не могли не заинтересоваться подобной идеей.
В 1912 г. берлинский профессор Пенк предложил правителям Египта проект: прорыть канал, а через горный хребет пробить штольню и расположить в ней турбоагрегаты крупной ГЭС. Проект получался весьма дорогостоящим. В то время не было ни нужной техники, ни соответствующих технологий. Египет не смог финансировать проект.
Но идея не потерялась среди пыльных бумаг в изъеденных крысами шкафах. В 1933 г. крупнейший английский специалист в области геодезии Балла попытался заинтересовать Египет в реализации похожего плана – канал и ГЭС. И опять ничего не удалось сделать.
В 1964 г. Федеральное министерство экономики ФРГ поручило известному гидрологу из Дармштадта Бесслеру и группе других специалистов провести специальное исследование проблем Каттары в порядке оказания технической помощи Объединенной Арабской Республике. Проект был представлен. Однако для задач оказания технической помощи он опять получился слишком дорогостоящим.
Некоторое продвижение получилось в 70-е гг., когда распространилась информация об успехах некоторых научно-исследовательских проектов американской Комиссии по атомной энергии. Речь идёт о программе с условным названием «Лемех». В рамках этой программы изучалась возможность мирного использования атомной энергии. Направленными ядерными взрывами на полигоне в пустыне были «вырыты» гигантские котлованы и каналы. Немецкие гидротехники подсчитали, что с использованием технологий «Лемех» можно быстро и эффективно пробить канал и тоннель. По проекту, это надо было сделать примерно посередине между Эль-Аламейном и оазисом Мерса-Матрух. В тоннеле, в скальных породах горного хребта, планировалось установить турбины гидроэлектростанции. Радиационное заражение местности не рассматривалось. В те времена на всё это меньше обращали внимание, и лишь после Чернобыля стало окончательно ясно, что играть в подобные игры не стоит. Проект так и не был реализован. Однако сейчас при имеющихся технологиях можно обойтись и без ядерных взрывов.
Но спрашивается: а насколько хватит этой котловины? Как долго она будет заполняться? То есть, стоит ли тратить большие средства, чтобы получить рукотворное озеро и некоторое время получать оттуда электроэнергию? Так вот. Каттара не заполнится никогда.
Удивительно. Казалось бы, есть большая яма, в которую переливается вода из большого моря. Это как бы задачка из школьного курса физики. По здравому смыслу, как только уравняются уровни воды, поток через канал прекратится. О, не тут-то было! Природа имеет в запасе много хитростей. «Здравый смысл» забывает об испарении. Гигантская территория этой котловины при палящем солнце Сахары и сухом воздухе (ведь средиземноморский воздух по-прежнему не поступает из-за хребта) обеспечивает испарение, компенсирующее приток воды!
По расчётам специалистов, равновесие между притоком и испарением создастся при перепаде уровня 60 м по отношению к уровню Средиземного моря. Да и это равновесие получится лишь через 50–70 лет после ввода в действие всей системы. Площадь образовавшегося озера будет составлять примерно 120 000 км2. Все эти расчёты проведены при условии поступления в Каттару 650 т воды каждую секунду.
А ведь результат испарения – это повышение количества влаги в атмосфере, разносимой ветрами над пустыней. Ведь влага не может оставаться над Каттарой в силу разных метеорологических причин. В результате над пустыней будут дожди, которых та никогда не видела. Читатель знает, что такое современный дождь в пустынях Египта? Автор как-то попал туда в «дождливый сезон». Если бы в Санкт-Петербурге метеорологи оправдывали свой прогноз подобным дождём, то над ними все бы смеялись. Но появление настоящей влаги в воздухе сразу всё меняет. Конечно, рая не получится, но уж безжизненной пустыня не будет точно.
Итак, человек может уничтожить ад на Земле. Ад, который называется Каттара. И будет иметь от этого пользу. Скорее всего, подобная задача будет решена в ближайшие десятилетия.
Ад под землёй. Энергия недр. Но ведь настоящий ад находится где-то под землёй. Именно там плавится от невыносимого жара даже камень, а затем выливается на поверхность Земли через жерла вулканов. Значит, жара котловины Каттара – это ничто по сравнению с внутренним жаром Земли. Глубоко ли расположены эти области жара?
Если судить по вулканам, то совсем рядом. А можно ли построить тепловую электростанцию где-нибудь на вулкане? Совсем не просто – слишком велико давление. В случае извержения все мыслимые конструкции будут сметены и перемешаны с лавовыми потоками.
Да, собственно, всё это и не нужно. Ведь как можно, например, использовать контрасты температур для получения электроэнергии? Самый простой вариант, который, однако, редко используется, – это известные из школьного курса физики термоэлементы. При контрасте температур двух разнородных спаев возникает термоЭДС. Она зависит от разности температур спаев. Правда, всё равно весьма маленькая. Чтобы увеличить ЭДС, применяют набор последовательно включённых термоэлементов – термобатарею. Когда-то подобные термобатареи разрабатывались даже для установки на керосиновые лампы, ими можно было питать небольшой радиоприёмник. А при установке более мощной батареи в топку обычной дровяной печи можно было освещать дом. Конечно, не так, как освещается сейчас, но значительно лучше керосиновой лампы.
Но применительно к вулкану получается, что громадное количество пластин из разных металлов должно быть вставлено в этот вулкан. Это невозможно. Столь простые рассуждения разрушают красивую идею «энергии из вулкана». Ну что же! Даже в реакторах атомных электростанций выделяемое тепло не используется напрямую. За исключением небольших ядерных источников электропитания, например, типа «Бета-С». Тепло обычно используется через промежуточный теплоноситель. В качестве такого теплоносителя применяется вода.
Но ведь тепловая энергия недр – это не только вулканы. Существуют геотермальные воды. Здесь тепло земных недр может без помощи человека перемещаться наверх – в качестве нагнетающей силы действует давление на глубине. Иногда это настолько горячие воды, что они образуют водно-паровую смесь. Прорыв этой смеси через отборную трубу весьма опасен.
В настоящее время воды в России используются редко и преимущественно для обогрева (дома, теплицы и т.д.), хотя во многих странах разведанные подземные источники горячей воды уже активно используются для получения электроэнергии. На рис. 2 показано примерное расположение таких источников в Италии, а на рис. 3 – общий вид геотермальной электростанции в Лардерелло (Италия) мощностью 1 млн кВт. По весьма осторожным оценкам специалистов, в Северной Калифорнии (США), в недрах провинции Импириэл-Вэлли, южнее Солёного озера, запасы тепла таковы, что можно производить ежегодно до 100 • 106 кВт электроэнергии.
Рис. 2. Источники геотермальных вод в Италии
(обозначены номерами 1–9)
Рис. 3. Общий вид геотермальной
электростанции в Лардерелло (Италия)
Горячая вода из пустынь по трубопроводам. Но ведь не везде имеются геотермальные источники! Вернёмся к пустыням. Там безжалостное солнце раскаляет всё что можно, и над головой практически всегда безоблачное небо. Можно ли эту дармовую энергию как-то использовать? Несомненно.
Первая мысль, которая приходит в голову, – солнечные батареи. Ну конечно! И об этом много написано. Однако полученную в пустыне электроэнергию надо как-то передавать на большие расстояния. А здесь возникают свои проблемы. Также непросты проблемы строительства и обслуживания самой электростанции, ведь приёмные поверхности будут заноситься пылью и песком (всё-таки это не космос с его почти идеальными условиями для солнечных батарей), проблематично обслуживание линий электропередачи через пустыню и т.д. Если разумно посчитать, то получается, что в пустынях интереснее нагревать… воду, а не солнечные батареи.
Ну-у-у... – скажет скептически настроенный читатель. Нагреть, конечно, можно. Ну а дальше-то что? Как сохранить это тепло? В 70-е гг. жил и работал немецкий физик Николаус Лайнг. Именно он вплотную занялся идеями построения «солнечных ловушек» в пустынях. Причём частично осуществлял свои идеи. Именно он, по-видимому, впервые, предложил проект транспортировки тепла из Сахары в Европу по трубам. Это был весьма неожиданный проект, но расчёты подтвердили его эффективность. При диаметре трубы 5,5 м и толщине стенки всего лишь 37 мм потери тепла на расстоянии 2700 км составляют всего лишь 5%. Конечно, физика теплообмена здесь довольно хитрая. Лайнгу удалось разработать принципиально новый вариант теплоизоляции трубы. Причём прокачивается через эту трубу не просто горячая вода, а водно-паровая смесь – это, в свою очередь, меняет условия теплообмена с окружающей средой. Исходная температура смеси в его проекте порядка 350 °С. Рассматривать весь проект Лайнга здесь невозможно. Но следует отметить, что поступающая в приёмники перегретая смесь вначале используется для обогрева, и лишь после парораспределения и снижения температуры до 100 °С вода попадает в установки для получения электроэнергии.
На первый взгляд, проект представляется утопическим. Однако, если учитывать, что 18 кг воды, нагретой до 350 °С, содержит примерно такое же количество энергии, что и 1 л бензина, то приходится задуматься. Ведь существуют же тысячекилометровые нефте- и газопроводы. Особенно это касается нефтепроводов, где должны существовать станции подкачки, ведь просто так, самотёком, нефть по трубам не идёт. И всё это рентабельно. Но в таком случае получается, что рентабельно передавать также и геотермальные воды.
Пока проект Лайнга не осуществлён. Но, возможно, придёт время, и мы не будем удивляться тому, что Москва отапливается водно-паровой смесью, поступающей из пустынных районов Прикаспия. А полученная после обогрева электроэнергия пойдёт на освещение домов и улиц.
И конечно же, океан. Тепловые контрасты в океане часто формируются на очень небольших перепадах глубин. Например. Многие увлекаются нырянием под воду. В тёплые безветренные дни ныряльщики не раз замечали, как на совершенно «ерундовой» глубине (1–2 м) их тело как будто перерезает холодный острый нож. Если вверху была тёплая нежная вода, то после такого «перерезания» удовольствие от ныряния сразу пропадает – хочется наверх. Этот холодный «нож» называется термоклином.
Термоклины бывают разные. Тот, что описан выше, – так называемый дневной термоклин. Он формируется, когда отсутствует перемешивание в верхнем слое, а тепло распространяется вниз лишь в результате теплопроводности воды. Использовать контраст температуры в дневном термоклине, конечно, невыгодно, поскольку он не всегда существует. Широко известны также сезонный и главный термоклины. Ниже главного термоклина круглый год находится холодная вода. Температура падает до 6–8 °С. В то же время наверху температура может быть 25–30 °С, особенно в субтропиках. Однако, на какой же глубине эти постоянно холодные воды? Увы! Если с гарантией, то глубже нескольких сотен метров. Да и контраст температур не столь уж велик.
А можно ли как-то перетащить на поверхность эти холодные воды глубин? Ведь существуют же в океане апвеллинги – зоны подъёма глубинных вод! В апвеллингах этот подъём обеспечивают природные процессы, например, особенности течений. Но зона апвеллинга – это гигантская территория, и использовать каким-либо способом возникающие по горизонтали контрасты невозможно.
Жаль, но с естественными процессами ничего не получается. Надо качать эту холодную воду наверх, а значит, тратить получаемую энергию. Может, вообще не стоит этим заниматься? И тут поневоле вспоминаются некоторые малоизвестные проекты ХХ в.
Автор первого осуществлённого проекта – Ж.Клод (Франция). Термогидроэлектростанция Ж.Клода была построена на реке Маас и успешно заработала. Это произошло в 1927 г. Правда, коэффициент полезного действия оказался не очень большим. Тем не менее окрылённый этим успехом изобретатель задумал построить подобную систему на берегу моря. Был выбран Мексиканский залив. Условия здесь очень подходящие. Температура поверхности достигает 28 °С, а на глубине 400 м падает до 10 °С. Но, чтобы в этом районе добраться до холодной воды, необходимо было уложить по дну моря примерно 2000 м труб двухметрового диаметра. Первая уложенная партия труб была безнадёжно потеряна на дне. Ж.Клод заказал вторую партию. Трубы начали монтировать на берегу, затем прикрепляли к поплавкам и буксировали в море. Не всё было удачно, часть труб пришлось заказывать ещё раз, но в конце концов они были уложены. Установка успешно заработала. Прошло несколько дней, и разразился жестокий шторм. Он разрушил с таким трудом уложенные трубы. Расстроенный изобретатель отказался от дальнейших попыток реализации проекта. Всё это происходило в 1930 г.
В 1944 г. снова вспомнили о проекте Ж.Клода. Финансирование взяло на себя французское правительство. Сооружение термогидроэлектростанции было запланировано в районе Абиджана (Берег Слоновой Кости, Западная Африка). Работы по проекту были поручены французскому национальному центру научных исследований. Руководителем проекта назначили инженера Низери. Неудачи Ж.Клода были полностью учтены. Длина труб достигала 4 км, диаметр – 2,5 м. Трубы решили не сваривать, а применять гибкие соединения отрезков по 50 м. Особую трудность представил вывод трубы на берег через опасную во время шторма прибойную зону. Здесь была построена специальная дамба, защищающая вывод.
Выше ничего не было сказано о принципе работы термогидроэлектростанций. Вот тут нас подстерегает неожиданность. Использовалось, как ни странно, давление водяного пара. То есть тот же принцип, что и обычно. Но если в других турбоагрегатах необходима температура выше 100 °С, то в описываемых установках такого не получалось, ведь бессмысленно дополнительно нагревать воду. Однако указанная температура кипения воды получается при атмосферном давлении. А если сильно понизить давление?
Температуру кипения в установках Ж.Клода и Низери задали примерно 25 °С, обеспечивая условия низкого давления в специальном испарителе. Хотя давление пара получалось небольшим, его хватало для работы турбины, которая вращала генератор. Затем пар подавался в конденсатор, куда поступала холодная вода из глубин моря. Простейший вариант конденсации пара – смешивание его с водой. Это наиболее дешёвый путь. Однако при необходимости одновременно с электроэнергией предусматривалась возможность получать пресную воду путём конденсации в отдельных конструкциях – холодная вода поступала в закрытую охлаждающую батарею.
Вот такие неожиданные проекты разрабатывались и осуществлялись. Можно быть уверенным, что они будут разрабатываться и в дальнейшем. И смогут конкурировать с электростанциями, которые распространены в настоящее время. Ведь при освоении пустынных районов Земли (их много!) невозможно всё «опутать» линиями ЛЭП, надо придумывать способы самообеспечения.