Глава 8. Источники энергии

Разворачивая добычу минеральных ресурсов Мирового океана в промышленных масштабах, невозможно обойтись без стационарных или подвижных эксплуатационных комплексов и соответствующих хранилищ. И хоть надежность приборов и устройств, входящих в состав такого комплекса, из года в год растет, все равно понадобится постоянно или периодически контролировать их работу, заниматься отладкой и необходимым ремонтом оборудования.

Приходится признать, что на сегодняшний день комплексы эти еще плохо разработаны, за исключением систем по эксплуатации подводных нефтяных месторождений. К этому исключению можно отнести и добычу минералов со дна океана методом драгирования - правда, пока еще на относительно небольших глубинах.

Трудно сейчас сказать, какими будут океанские эксплуатационные комплексы через несколько десятков лет - автоматизированными или телеуправляемыми, будут ли они контролироваться аппаратами-роботами или человеком. Нелегко сказать, и когда именно они появятся на океанском дне. Но ясно одно: чтобы подводные эксплуатационные комплексы могли действовать, их надо обеспечить энергией. Это одна из ключевых проблем их дальнейшего развития. Различные виды подводного оборудования потребуют и различных энергетических мощностей - от нескольких ватт, потребляемых контрольно-измерительными приборами, до тысяч киловатт, необходимых буровым установкам весом в десятки тонн. Кроме того, одним видам оборудования энергия будет нужна постоянно, другим - только время от времени.

Поэтому при выборе источников энергии нужно учитывать их технические данные - мощность и необходимый запас топлива, сроки эксплуатации и стоимость, вес и габариты, надежность и условия эксплуатации, наконец, меры, которые придется принимать для обеспечения безопасности... Следует также учитывать, понадобится ли источнику питания герметическая капсула, изолирующая его от окружающей среды, или он сможет работать под воздействием морской воды и гидростатического давления.

Условия среды, в которой находится источник энергии, оказывают весьма существенное влияние на его работу. Например, при повышении давления изменяются технические характеристики электронных печатных схем. Оказывает определенное влияние и газовый состав атмосферы в капсуле, отличающийся от обычного, а значит, возникает необходимость удаления газов (в том числе и образующихся при электрохимических реакциях) или изоляции источника энергии в специальном контейнере. Приходится также учитывать значительный температурный перепад, зависящий от глубины погружения источника энергии и географического района, в котором он находится. В поверхностных слоях температура воды в разное время года может изменяться от 2 до 32° С.

Однако на сегодняшний день технически возможно создать такие условия для источника энергии, которые обеспечили бы его нормальную работу и при большом гидростатическом давлении, и при значительном перепаде температур. Основная же проблема подводной энергетики состоит в решении дилеммы: передавать ли электроэнергию с поверхности на дно по кабелю или же избрать автономные источники питания.

Безусловно, энергию по кабелю можно передавать от береговых электростанций - непосредственно или через установленные в пределах континентального шельфа платформы, а также с надводных судов. Это вполне реально, так как уже сейчас существуют соответствующие кабели и разъемы. Однако на практике удается использовать кабели длиной не более 10 км.

Какие же виды автономных источников энергии можно использовать в океане?

При нефтеразработках применяется такой необычный источник энергии, как турбогенератор, турбина которого вращается нефтью, фонтанирующей из подводной скважины. Но вряд ли можно рассчитывать на широкое применение таких генераторов.

Специалисты сходятся на том, что дальнейшее освоение Мирового океана приведет к переходу на автономное энергопитание, хотя следует сказать, что при нынешнем состоянии дел особой потребности в нем еще не ощущается.

Итак, автономные источники энергии. Но какие именно? Можно представить себе установки самых разных мощностей - начиная с милливатт и кончая сотнями мегаватт.

Технические данные электрохимических источников энергии известны достаточно широко, и мы не будем на них останавливаться. К тому же в предыдущей главе, когда речь шла о самоходных подводных аппаратах, уже рассматривались различные виды аккумуляторных батарей. Заметим только, что свинцово-кислотные, никелево-кадмиевые, серебряно-цинковые батареи нашли широкое применение. Мы уже упоминали о недостатках, присущих аккумуляторам. Но предстоящее в ближайшие годы внедрение в практику пар цинк - воздух, цинк - двуокись марганца и некоторых других, вероятно, повлечет за собой существенное совершенствование аккумуляторов: уменьшится вес и увеличится емкость, возрастет количество рабочих циклов, сократится время зарядки.

Теперь поговорим об источниках энергии менее известных. Теоретические основы их разработаны уже давно, но практическое использование еще только начинается.

Начнем с источников энергии малой мощности.

Радиоизотопные генераторы

Следует полагать, что к концу XX века будут в совершенстве освоены все технологические процессы производства энергии на наземных атомных электростанциях (АЭС), что позволит им конкурировать с тепло- и гидростанциями.

Крупные АЭС будут вырабатывать тысячи мегаватт...

А пока, причем в самом ближайшем будущем, атомные источники энергии найдут применение на дне океанов - и в первую очередь те, которые непосредственно преобразуют атомную энергию в электрическую. Такие источники сочетают в себе общеизвестные преимущества атомной энергетики (автономность, большая энергоемкость, независимость от окружающей среды) с преимуществами непосредственного преобразования энергии, которые позволяют отказаться от сложных конструкций и технологических процессов, начисто исключить в устройствах для преобразования энергии вращающиеся детали. А это обеспечивает высокую надежность и длительную эксплуатацию такого источника энергии. Отвод же выделяющегося в незначительном количестве тепла не вызывает трудностей.

Радиоизотопный генератор (фирма 'Алкатель'). Специально создан Центром атомных исследований Франции для работ на глубине до 200 м. Мощность 20 Вт, напряжение 24 В

Достоинства таких генераторов электрической энергии столь очевидны, что начиная с 1960 г. их применяют в космических аппаратах. Немного позже подобные источники энергии стали устанавливать в аппаратуре, предназначенной для работы и на поверхности, и в глубинах морей и океанов.

Промышленность уже выпускает несколько типов радиоизотопных генераторов мощностью от милливатта до ватта, предназначенных для электронных схем, созданных на основе миниатюризации и, следовательно, не нуждающихся в источниках питания большой мощности. Генерация электрической энергии в них происходит в результате радиоактивного распада изотопов плутония, кюрия или трития. Выделяющаяся при этом тепловая энергия преобразуется в электрическую радиационным, термоэлектрическим или термоэлектронным (термоионным) способами. Такие генераторы могут быть столь миниатюрны и при этом столь долго - до двадцати лет! - непрерывно работать, что их применяют в медицине в качестве стимуляторов работы сердца. В океанологии изотопные генераторы наверняка найдут самое широкое применение на автономных буях и в различных измерительных приборах, устанавливаемых на океанском дне (в сейсмографах и т. д.).

Если нужен мощный изотопный генератор, то в качестве источника энергии используют стронций-90. В таком генераторе электрическую энергию (в пределах от нескольких сот милливатт до нескольких сот ватт) получают при помощи термоэлектрического преобразователя^*.

^* (Термоэлектрический преобразователь работает на основе эффекта Зеебека: если два материала с различной электропроводностью соединить в замкнутую цепь и если эти материалы имеют при этом различную температуру, то между ними возникнет разность потенциалов, а значит, появится и электрический ток.- Прим. авт.)

Во Франции созданы изотопные источники питания "Маргарита-2", "Маргарита-20" и "Жизет-5". Источник питания "Маргарита-2" был установлен на дне моря близ Марселя. В течение нескольких месяцев он обеспе-(чивал электроэнергией буй, который днем подавал звуковые сигналы, а ночью - световые (проблесковый огонь). После окончания эксперимента источник питания подняли на поверхность. Проверка показала, что он исправен и может продолжать работу.

Изотопный генератор "Маргарита-20" испытывался на глубине 30 м в Персидском заливе. Размещенный поблизости от устья нефтяной скважины и сепараторной установки, он обеспечивал электропитанием измерительную аппаратуру и приборы передачи телеметрической информации. Кроме того, от него же получал питание и ультразвуковой буй типа пинджера.

Оба типа изотопных генераторов рассчитаны на применение на глубинах до 1000 м. Они достаточно надежны, имеют биологическую защиту (генераторы заключены в контейнер из стали и свинца).

Изотопный генератор "Жизет-5" в течение года обеспечивал электроэнергией акустический буй, установленный в Бискайском заливе около плавучей платформы нефтедобывающего комплекса "ELF", и проблесковый огонь на ее палубе. Несомненно, этот тип источника питания найдет применение в подводных измерительных приборах, устанавливаемых на дне, на удаленных от берега платформах нефтепромыслов. Причем целесообразно использовать изотопный генератор совместно с аккумуляторной батареей, которая будет постепенно заряжаться от него и выдавать энергию в моменты пиковых нагрузок. Кстати, такой комплексный источник питания может обеспечивать радиорелейные станции, которые передают по телеметрическим каналам команды управления и информацию.

Топливные элементы

Оставим на время вопросы атомной энергетики и расскажем вкратце о топливных элементах, о которых уже шла речь в главе, посвященной подводным самоходным аппаратам. Таким образом, мы переходим от источников энергии мощностью до киловатта (изотопные генераторы) к источникам энергии мощностью в сотню киловатт (топливные элементы).

Что же такое топливный элемент?

Топливный элемент - в сущности, разновидность гальванических элементов, которые являются основой любой аккумуляторной батареи. Но в отличие от обычного гальванического элемента его электроды не расходуются в процессе работы. Простейший топливный элемент состоит из двух электродов и электролита между ними. На одном из электродов, так называемом топливном электроде (аноде), происходит электрохимическое окисление топлива, на втором электроде (катоде) - электрохимическое восстановление окислителя, например кислорода. В электролите происходит движение положительно заряженных ионов (катионов) к катоду и отрицательно заряженных ионов (анионов) к аноду. Если катод и анод соединить проводником, то между ними потечет ток.

Топливные элементы, а следовательно, и образованные ими электрохимические генераторы имеют ряд преимуществ перед другими видами генераторов электрической энергии. Они бесшумны, не имеют движущихся частей, а также не выделяют вредных продуктов реакций. Топливные элементы выгодно отличаются от обычных гальванических элементов и аккумуляторов непрерывностью выработки электроэнергии (конечно, при условии непрерывной подачи топлива и окислителя), так как не нуждаются в перерыве на зарядку, а также отличаются более высокой удельной энергией, т. е. соотношением энергия/вес, для мощностей в несколько киловатт.

Поэтому нет ничего удивительного в том, что создатели космической техники проявили такой интерес к топливным элементам. Вполне вероятно, что электрохимические генераторы найдут широкое применение на космических кораблях. Но в такой же мере целесообразно использовать их в аппаратуре, работающей в океане, в районах с суровыми климатическими условиями - в Арктике и Антарктиде, в джунглях, в пустынях... Короче говоря, надежные и относительно мощные автономные источники питания более всего нужны там, где строительство линий электропередачи нерентабельно или невозможно.

Надо ли говорить о значении топливных элементов для военной техники, где особенно важны надежность и автономность...

В топливных элементах заинтересован целый ряд отраслей техники, и потому во многих странах весьма интенсивно ведется разработка новых типов топливных элементов. Исследованиями заняты лаборатории ведущих фирм электротехнической промышленности во всех промышленно развитых странах. Есть удачи, есть и поражения, без которых не может быть поступательного движения прогресса...

Как известно, электрохимические генераторы на топливных элементах прекрасно работали на космических кораблях во время проведения программ "Джемини" и "Аполло". А вот применение топливных элементов в подводной аппаратуре еще не вышло из стадии эксперимента. Так, электрохимические генераторы использовались в течение нескольких дней для обеспечения энергией подводной лаборатории у берегов Флориды; для внутреннего освещения подводных обитаемых аппаратов "Стар-I" и "ныряющего блюдца" "SP-350". Топливные элементы фирмы "Симменс" были установлены на катере и служили источником энергии для электромотора, вращающего винт; топливные элементы фирмы "Аллис-Чалмерс" приводили в действие электромотор трактора, а фирмы "Азея" - электромотор автопогрузчика. Электрохимические генераторы в порядке эксперимента применялись также для телевизионных ретрансляторов, маяков, радиолокационных станций...

И все же топливные элементы еще не выпускаются в большом количестве, им пока не удалось вытеснить традиционные гальванические элементы и аккумуляторные батареи. Да и наступит ли вообще такое время?

Многие специалисты-электротехники отвечают на. этот вопрос утвердительно. Хотя, разумеется, не все уже применяемые или испытываемые элементы имеют перспективы на будущее. Выбирая тип электрохимического генератора, мы должны учитывать его коэффициент полезного действия, рабочую температуру, применяемое топливо, а также материал, из которого изготовлены электроды топливных элементов. Например, возможности использования топливных элементов, работающих на углеводородном горючем, ограничены: для их электродов должна применяться платина, а запасов этого благородного металла не хватит для массового производства таких электродов.

Поэтому нам нужен топливный элемент, который работал бы на углеводородном горючем, используя в качестве окислителя воздух и имея электроды из неблагородных металлов. Однако разработка таких топливных элементов наталкивается на определенные трудности. В частности, еще предстоит создать компактные и дешевые конверсионные установки для природных углеводородов (нефти, газа) и освоить дешевые способы получения водорода и отвода углекислого газа...

Но как бы то ни было, уже сейчас целесообразно применять в качестве источников энергии для подводных аппаратов и различного оборудования, устанавливаемого на дне, топливные элементы.

По-видимому, перспективен электрохимический генератор, в котором в качестве топлива будет использоваться гидразин, а в качестве окислителя - кислород или перекись водорода. Преимущество гидразина по сравнению с водородом заключается в том, что его проще хранить, поскольку он находится в жидком состоянии. Однако гидразин значительно дороже.

Переход к широкому использованию гидразинно-кислородных электрохимических генераторов - дело будущего. Хотя такие генераторы уже и испытывались на подводной лодке, в производство они еще не запущены. Может быть, дело здесь в том, что по целому ряду причин специалисты начинают раздумывать: а не пойти ли дальше и не создать ли еще более совершенные топливные элементы, например типа гидразин - воздух или метанол - воздух?

У нас пока слишком мало данных для того, чтобы отдать предпочтение какому-либо одному виду топливных элементов...

Динамические преобразователи

Как известно, атомную энергию можно преобразовывать в электрическую и при помощи уже давно отработанных методов, применяемых на атомных электростанциях. Технологическая схема таких энергетических установок хорошо освоена. Замкнутый цикл их работы основан на использовании рабочего тела, нагреваемого в первом контуре атомного котла и отдающего свое тепло воде, проходящей через парогенератор. Полученный таким образом пар поступает на турбогенератор. Однако такая схема получения электроэнергии сложна и требует весьма громоздкого оборудования.

Технические характеристики подобных установок - мы называем их динамическими - могут быть улучшены путем применения в качестве рабочего тела жидких металлических теплоносителей, позволяющих получать пар с более высокими параметрами. Так, 4 т гидроокиси лития при плавлении выделяют столько же энергии, сколько свинцово-кислотная батарея весом 50 т. Однако из-за малого удельного веса гидроокиси лития, применяемой в качестве теплоносителя, также понадобится слишком громоздкое оборудование.

Термоэлектронные (термоионные) реакторные генераторы

Достаточно большие мощности можно получить также от термоэлектронных реакторных генераторов. Такой генератор состоит из ядерного реактора и системы преобразования выделяемого им тепла в электрическую энергию. Входящие в систему преобразования две концентрические металлические пластины помещаются в вакуум и нагреваются до разных температур. При этом начинается эмиссия электронов и возникает электрический ток. Таким образом, принцип работы такого генератора весьма прост. Но на практике его реализация вызвала большие трудности. Потребовались годы напряженной работы ученых нескольких стран, прежде чем были созданы надежные термоэлектронные реакторные генераторы.

Их разработкой пришлось заняться прежде всего по той причине, что на космических аппаратах надо было устанавливать надежные и рассчитанные на длительные сроки работы источники питания. Но в последнее время термоэлектронные реакторные генераторы стали применяться и в морских условиях. Надо думать, что такие качества этих генераторов, как надежность, автономность и устойчивость к воздействию окружающей среды, будут способствовать широкому применению их в подводных лабораториях, на подводных аппаратах и т. д. Однако было бы неправильно считать, Что они заменят те виды генераторов электрической энергии, о которых мы уже рассказали, т. е. радиоизотопные, электрохимические (топливные элементы) и динамические. Каждый из этих генераторов найдет свое применение в той области, в которой его технические данные являются оптимальными (решающим фактором здесь будет требуемая мощность генератора). Ведь никто не будет пытаться установить реакторный термогенератор, например, на гидроакустическом буе...

Дальнейшее совершенствование термоэлектронных реакторных генераторов должно привести к увеличению их мощности до мегаватта и срока непрерывной работы до трех лет. Причем такой генератор не будет ни загрязнять окружающую природную среду, ни нуждаться в каком-либо обслуживании в процессе эксплуатации. Возможно, что для управления им с поверхности будет предусмотрен и телеметрический канал (кабельный или гидроакустический).

Такого генератора пока не существует. Но в Национальном центре атомной энергии Франции уже длительное время испытываются соответствующие экспериментальные образцы. Результаты экспериментов, в ходе которых преобразователи энергии проработали более 20 000 часов, свидетельствуют, что создание мощного термоэлектронного реакторного генератора вполне реально.

Правда, еще нужно уточнить вопросы, связанные с рентабельностью подобных генераторов. Вероятно, к 1976 г. уже войдет в строй термоэлектронный реакторный генератор мощностью 100 кВт.

Энергия моря

Все виды источников энергии, возможности использования которых мы только что рассматривали, работали благодаря запасу энергии, созданному на суше, будь то аккумуляторы или генераторы на ядерном топливе. В сущности, все это - наземные генераторы электрической энергии, приспособленные к работе в суровых условиях океанской среды и, в частности, к высокому гидростатическому давлению. А нельзя ли получать энергию, используя грандиозные, практически неисчерпаемые потенциальные запасы механической и тепловой энергии Мирового океана?

Оказывается, можно. И пример тому - приливо-отливная гидроэлектростанция на реке Ранс (Франция), одна из первых электростанций, работающих за счет механической энергии водных масс. Большие перспективы имеет использование энергии волновых движений. Уже испытываются буи, в которых смонтировано устройство для преобразования энергии волновых движений в электрическую. Строительство электростанции, использующей энергию волн, планируется и в Японии.

Во Франции уже несколько лет ученые работают над проблемой реализации идеи Ж. Клода. Суть идеи - создать тепловую электростанцию, использующую перепад температур между поверхностными и глубинными слоями воды в океане (в тропиках, например, температура воды на поверхности составляет 28 - 32° С, а на глубине - плюс 5 - 7° С). Теплую воду приповерхностных слоев океана превращают в пар под вакуумом и пропускают через турбину генератора. Затем пар поступает в холодильную установку, омываемую холодной водой из глубинных слоев, где он и конденсируется. При этом одновременно с электроэнергией можно получать опресненную морскую воду и поваренную соль.

Огромные запасы холода заключены в айсбергах

Понятно, что такая электростанция сможет эффективно работать только в таком географическом районе, где создается максимальный температурный градиент между поверхностным и глубинным слоями. Поэтому, естественно, что теплоэлектростанции нужно строить в тропиках. И еще одно условие: большие глубины обязательно должны начинаться недалеко от берега, чтобы протяженность трубопроводов была минимальной.

Экспериментальную электростанцию было решено построить на берегу Гвинейского залива, близ Абиджана (Республика Берег Слоновой Кости), где в 4 км от суши глубины достигают 500 м. Температура придонных слоев воды в этом месте равна 7° С, а поверхностных близ берега, в лагуне Эбрие,- плюс 28° С. Проектанты решили, что такого перепада температур будет вполне достаточно. Было намечено построить электростанцию мощностью в 1000 квт. Исследования и подготовительные работы проводились с 1952 по 1956 г. Но по ряду причин, как технического, так и экономического порядка, работы завершены не были.

Во-первых, выяснилось, что понадобится испарять более 3000 т теплой приповерхностной воды в час и подавать холодную воду из глубин для холодильной установки в еще большем количестве. Во-вторых, значительные трудности возникли при заборе воды из глубинных слоев, так как для обеспечения расчетной производительности холодильной установки понадобились трубы очень большого диаметра. Монтаж такого трубопровода оказался нелегким делом. Появились и другие препятствия - необходимость удаления газов из водяного пара, корродирование, а также обрастание оборудования морскими организмами. Из-за низкого давления пара пришлось проектировать турбину с очень большим диаметром рабочего колеса... Впрочем, все эти недостатки могли бы компенсироваться дешевым "топливом" и непрерывной работой электростанции.

Научатся ли когда-нибудь использовать энергию волн?

Однако экономический анализ показал, что при существующих технических средствах выгоднее строить гидроэлектростанции на реках. В конце концов так и было сделано...

И все же нельзя рассматривать эту неудачу как своего рода приговор электростанциям, работающим за счет разности температур приповерхностных и глубинных слоев воды в океане. Ведь многое из того, что казалось невозможным двадцать лет тому назад, стало реальностью сегодня. Поэтому вполне вероятно, что рано или поздно строительство таких тепловых электростанций будет признано целесообразным в тропических странах. Причем в проекте наряду с выработкой электроэнергии сразу должно быть предусмотрено опреснение морской воды и производство поваренной соли.

Подобный проект успешно осуществлен в Израиле. Но значительный температурный градиент там создается иначе, чем это планировалось сделать в Абиджане: нижний предел температуры имеет вода из приповерхностных слоев, а верхний - морская вода, которая накачивается в специальные бассейны и нагревается в них солнцем. Однако поскольку Израиль находится в субтропиках, на работу электростанции существенное влияние оказывают погодные условия, зависящие от времени года и связанного с ним числа солнечных дней.

Таковы наши возможности использования энергии океана. Как видите, пока в этом направлении сделаны лишь первые шаги...

Но мы уже умеем использовать энергию приливов и отливов, учимся использовать энергию ветрового волнения - недалек тот день, когда и оно станет служить людям. Сейчас мы знаем, как использовать тепловую энергию водных масс морей и океанов, а ученые уже задумываются над тем, как заставить работать колоссальную энергию морских течений, как использовать на благо человечества "запас" холода, хранимый айсбергами, грандиозными ледяными полями полярных районов.

Но для того чтобы завтра эти мечты стали явью, надо еще многому научиться.