Глава 4. Источники энергии

Другим важным вопросом является энергообеспечение САС. Использование традиционных органических источников энергии маловероятно из-за локальности их размещения и сложной технологии добычи с больших глубин. Поэтому необходимо ориентироваться на новые нетрадиционные источники энергии, имеющие повсеместное и преимущественно поверхностное распространение. Если не принимать в расчет наиболее «экзотические» энергетические проекты (на основе использования магнитных и гравитационных сил Земли, морских течений, градиентов солености и т.д.), то в принципе существует только 10 нетрадиционных источников энергии, изученных и в той или иной степени апробированных на практике: 1) солнечное излучение; 2) ветер; 3) морские волны; 4) морские приливы; 5) термальные воды; 6) разница температур верхних и нижних слоев океана; 7) естественная биомасса и органическое вещество биосферы (растения, водоросли, компоненты грунта и донных осадков); 8) культивируемая биомасса (сельхозкультуры, лесные насаждения, водоросли); 9) ядерное топливо (уран), извлекаемое из окружающей среды (морской воды, гранита и т.д.); 10) термоядерный синтез дейтерия (повсеместно содержится в воде). Последние два являются не возобновляемыми, но широко распространенными в природе источниками энергии. Все остальные - возобновляемые. Среди названных источников энергии самый многообещающий - последний, но пока он остается гипотетическим, т.к. работы над термоядерным синтезом еще не вышли за рамки чистых экспериментов и количество выделяющейся при синтезе энергии ничтожно (реакция длится 1 сек.). Другой источник - атомное топливо - также вряд ли может быть применено на полностью автономной САС из-за очень сложной и многостадийной технологии извлечения и переработки уранового горючего. Правда, для САС без замкнутого топливного цикла использование атомной энергоустановки возможно, но тогда потребуется периодическая замена старых топливных элементов новыми, поставляемыми со стороны, с привлечением персонала. А это усложнит организацию работы САС и нарушит принцип самовоспроизводимости системы. Кроме того, серьезные возражения против применения атомных энергоустановок на САС имеются по экологическим мотивам.

Солнечное излучение обладает наибольшим энергопотенциалом (в 4,2 тыс. раз превышающее современное мировое энергопотребление). Среди энергоустановок, использующих солнечную энергию (СЭС), наиболее эффективными являются сейчас модульные СЭС, разработанные фирмой Lus International. 6 Построено (с 1982 года) уже 10 электростанций мощностью от 13,8 тыс. кВт до 80 тыс. кВт (общей мощностью св. 400 тыс. кВт) (США, шт. Калифорния, пустыня Мохейв).1 СЭС мощностью 30 Мвт имеет 800 параболоцилиндрических стеклянных коллекторов (гелиостатов), смонтированных из стеклянных зеркал (размером 1,57х1,4 м) в виде желоба шириной 5 м и длиной 47 м (общая площадь зеркал СЭС - 188 тыс. м²).2 Каждый ряд (коллектор) имеет свой датчик слежения за Солнцем, приводной двигатель, регулятор.5 В фокусе коллектора вдоль каждого желоба проложен трубчатый приемник из нержавеющей стали с селективным покрытием «черный хром» и двумя отражающими покрытиями на стеклянной оболочке.3 По приемникам нагретый теплоноситель (синтетическое масло с t°=390°С) поступает в общий парогенератор турбинного блока.4 Паровая турбина работает по циклу Ренкина (с КПД=37%). За год СЭС вырабатывает за счет солнечной энергии - 71,7 млн. кВт-час или 2,4 тыс. кВт-час на 1 кВт установленной мощности. В качестве резервного источника используют природный газ. Издержки производства электроэнергии снижены до 8 центов/кВт-час, что меньше чем на многих АЭС.5

Другим перспективным вариантом модульной СЭС являются полностью независимые модули со своей системой преобразования энергии. В 1985 году близ Эр-Рияда (Саудовская Аравия) фирмой Schlaich Partner (ФРГ) и United Stirling (Швеция) построен такой модуль с концентратором (диаметром 11 м), лучеприемником (t° до 770°С), двигателем Стирлинга с генератором мощностью 25 кВт. КПД установки 29%, рабочее тело - водород, производительность - 250 кВт-час/сутки. В США планируется из 20 тыс. таких модулей собрать СЭС мощностью 50 Мвт.7

В целях снижения стоимости наиболее дорогой части СЭС - гелиостатов, фирма SNL (США) разработала и испытала гелиостаты из металлических мембран толщиной несколько сотых миллиметра (из стали или алюминия). Они натягиваются на каркас с двух сторон. Пространство внутри каркаса вакуумируется. Удельная масса таких гелиостатов - 10 кг/м², вместо 35 кг/м² у обычных стеклянных. Стоимость мембранных гелиостатов площадью до 150 м² - 65 дол./ м² (у стеклянных гелиостатов - 200 дол./ м²).8

Кроме модульных СЭС применяются еще 2 типа нормальных станций: башенные (с центральным теплоприемником на башне и полем гелиостатов вокруг него) и станции с солнечным прудом (бассейн с соляным раствором и верхним изолирующим слоем пресной воды вместо гелиостатов) (пущена одна в Израиле в 1984 году мощностью 5 Мвт и площадью 0,25 км).9 Капиталоемкость строительства первых в 2 и более раз выше, чем модульных из-за необходимости сооружения башни и создания особо точных и сложных систем наведения поля гелиостатов. Для СЭС второго типа характерны низкий КПД использования солнечной энергии (для 1 кВт мощности требуется 50 м² поверхности пруда, а в обычной СЭС - 6 м² гелиостатов) и низкая загрузка (в год работает ок. 1 тыс. часов). Поэтому подробно их рассматривать не будем.

Структура стоимости типичной СЭС складывается из стоимости гелиостатов - 30%, теплоприемника с парогенератором - 12%, теплоаккумулятора - 16% (на СЭС фирмы Luz отсутствует), турбоустановки с электрооборудованием - 1%, проектирования, инфраструктуры и неучтенных затрат - 17%.6

Другим преобразователем солнечной энергии являются фотоэлектробатареи, изготавливаемые обычно из многокристаллических кремниевых пластин по технологии полупроводниковых приборов. Сейчас в год выпускаются в мире кремниевые солнечные элементы общей мощностью 83 тыс. кВт (1988 г.).9 Основная часть их идет на системы энергопитания мелких изделий (калькуляторов, средств связи, ПЭВМ и т.д.). В мире эксплуатируется пока только 50 крупных фотоэлектрических систем мощностью св. 350 кВт, в т.ч. СЭС Carissa Plains (США, Калифорния, пущена в 1984 году) мощностью 6,5 Мвт.10 Хотя с момента появления первых элементов стоимость их упала в 150 и более раз (с 1000 дол./Вт в 60-е годы до 6 дол./Вт в 1985 году),11 тем не менее капиталоемкость фотобатарей остается высокой. Наиболее дешевые солнечные элементы в конце 80-х годов стоили 4-5 дол/Вт.12 Удельная стоимость фотоэлектрических СЭС примерно в 2 раза выше за счет различных вспомогательных устройств (систем ориентации элементов, механизмов слежения за Солнцем и т.д.) (для СЭС Sacramento, построенной в 1982 году, мощностью 1,2 Мвт капиталоемкость составила 12 дол./Вт)13. Срок службы солнечных батарей достигает 20 лет.16

Наиболее перспективным направлением снижения стоимости и материалоёмкости солнечных элементов являются элементы, изготавливаемые из пленки аморфного кремния (открыли эффект Sper u Le Comber в 1975 г., первые элементы изготовили в 1980 г.). Сейчас в год производят до 10,7 Мвт таких элементов (1987 г.).14 Наиболее совершенная технология их изготовления разработана фирмой «Энерджи конвершн дивайсиз». На основе ее фирма Sharp-ECD создала автоматическую машину для непрерывного крупномасштабного изготовления солнечных элементов из аморфного кремния (в Японии). Подложкой служит фольга из нержавеющей стали толщиной 30 мкм, шириной 0,4 м, длиной 305 м (подаваемая из рулона). На нее последовательно осаждаются пленка аморфного кремния толщиной 0,5 мкм, затем фтора и водорода, наносится сетка металлических электродов. Готовая структура из солнечных элементов выходит из машины со скоростью 0,3-0,6 м/мин. машина может изготовить за год солнечные элементы общей мощностью 3 Мвт.15

Хотя электрический КПД элементов из аморфного кремния почти в 2 раза ниже, чем у обычных из монокристаллического кремния (6-8% против 14%)17, стоимость первых в расчете на 1 кВт мощности оказывается в 2 и более раз ниже, благодаря более простой технологии изготовления и меньшей материалоемкости. В будущем она должна снизиться еще больше.

Ожидается создание автоматической линии, которая при трехсменной работе будет выпускать в год солнечных элементов из аморфного кремния общей мощностью 10 тыс. кВт (размер модулей - 0,61х1,22 м с КПД=10%). Стоимость линии составит 10,4 млн. дол. В одну смену ее будет обслуживать 5 операторов. Стоимость изготовления солнечных модулей предполагается 0,565 дол./Вт (в т.ч. 0,313 дол./кВт - расходы на материалы, 0, 187 дол./кВт - на амортизацию, электроэнергию, непрямые расходы, 0,065 дол./кВт - на зарплату).18

Все действующие солнечные электроустановки наземного базирования. Но существуют проекты создания плавучих СЭС. Один из проектов предполагает использовать ряды наклонных (под оптимальным углом) солнечных фотобатарей на поплавках на морской поверхности. Поле солнечных батарей будет иметь ячеистую структуру и состоять из жестких шестиугольников с гибкими связями, образующими общее поле на поверхности моря. На раму натягивается пленка из солнечных элементов, защищенная с обеих сторон. Другой вариант СЭС - из полос солнечных элементов шириной 20 м. Согласно расчетам, стоимость плавучей СЭС мощностью 1300 Мвт должна быть 6,04 млрд. марок ФРГ или 4646 марок/кВт. Это более чем в 3 раза ниже стоимости наземной СЭС такой же мощности.19 Еще один проект предполагает создать плавучую СЭС путем размещения фотоэлектрических батарей на понтонах из пеностекла размером 50х50 м (общая площадь станции составит 50 км²).20

Каждая из рассмотренных систем аккумуляции солнечной энергии может быть применена на САС. Наиболее легко автоматизируется работа фотоэлектрических СЭС (это подтверждает многолетняя безаварийная работа солнечных батарей на борту космических спутников и автоматических станций). Легче также автоматизировать сооружение таких СЭС (не требуется особо точная установка коллекторов, отпадает необходимость монтажа теплопередающей системы, парогенераторов, турбоустановок и т.д.). В то же время удельная капиталоёмкость фотоэлектрических СЭС пока в 4-5 раз выше, чем термальных модульных. Ниже у них и КПД преобразования энергии (не более 14% против 20-25%), а значит требуют большей площади для размещения. На наземных САС размещение и монтаж солнечных энергоустановок (СЭУ) целесообразно осуществлять в виде законченных, самостоятельных модулей. Собранные на САС модули перевозятся универсальным роботизированным транспортным средством и в определенном порядке, устанавливают на прилегающей к ней местности, образуя вокруг САС «энергетическое» поле. Среди термальных модульных СЭУ наиболее предпочтительны в этом отношении малогабаритные модули с двигателями Стирлинга, требующие после своей установки только соединения электропередающим кабелем с САС. При создании же СЭУ по прототипам фирмы Luz нужна будет сложная роботизированная сборочная система для монтажа длинномерных коллекторов, трубчатых теплоприемников и их соединения с агрегатами турбинного блока, размещенными в корпусе самой САС. Фотоэлектрические батареи должны изготавливаться в виде самостоятельных модулей (с системой ориентации, управления и т.д.) транспортабельных габаритов. Модульная система обеспечит высокую надежность работы СЭУ, т.к. выход из строя одного из модулей не нарушит работы остальных Для текущего обслуживания «энергетического» поля потребуется только периодическая замена неисправных модулей и промывка водой загрязненной поверхности солнечных коллекторов (может выполняться тем же транспортным роботизированным средством, которое монтирует модули).

На плавучей САС небольшая часть модулей СЭУ (с двигателями Стирлинга или солнечными элементами) может быть установлена на верхней палубе башен плавучести корпуса САС, а остальные - на плавучих понтонах (или поплавках), соединенные между собой и САС канатами и электрокабелем. Понтон (или поплавок) с полностью законченным модулем изготавливается на борту САС и по специальному слипу спускается на воду, за ним связанные друг с другом второй, третий и т.д. в виде цепочки. Система связанных между собой цепочек образует «энергетическое» поле вокруг САС.

Применение СЭУ на плавучих и наземных САС потребует обязательного создания систем аккумулирования энергии (на темное время суток и пасмурную погоду). Ее роль могут выполнять различные тепловые, электрические или химические аккумуляторы.

Ресурсы гидротермальной энергии весьма велики (в 1100 раз превышают мировое энергопотребление), но сконцентрированы в очень ограниченных районах, в основном связанных с вулканической деятельностью. Поэтому этот источник может быть использован только наземными САС, размещенными на компактных территориях. В мире эксплуатируется 24 термальных электростанции (ГеоТЭС) общей мощностью 2,3 млн. кВт (1982 год). Крупнейшие среди них: Гейзерс (США) - 983 тыс. кВт, Уайракей (новая Зеландия) - 192 тыс. кВт, Серро-Прието (Мексика) - 190 тыс. кВт, комплекс из 8 станций в Ларделло (Италия) мощностью 365 Мвт.21 Состав и размеры оборудования ГеоТЭС близки обычным ТЭС, поэтому вся энергоустановка может быть размещена в корпусе самой САС. Для доступа к источнику энергии САС должна быть оснащена автоматизированной установкой для бурения скважин. В настоящее время технически осуществимо создание буровых установок, не требующих обслуживания людьми, для небольших глубин.

Потенциал ветровой энергии небольшой (17,5 трил. кВт-час, что в 6 раз меньше годового потребления энергии в мире), но зато он повсеместно распространен и достаточно легко аккумулируется. Сейчас в мире установлено более 20 тыс. ветроэлектрических установок (ВЭУ), работающих в энергосистемах,22 общей мощностью - почти 10 млн. кВт.23 В Дании ВЭУ дают 7% всей электроэнергии. Средняя удельная капиталоемкость ВЭУ сократилась с 2,6 тыс. дол. в 1981 году до 800 дол./кВт в 1998 году. Сооружаются ВЭУ двух типов: 1) с вертикальной осью вращения с ротором Даррье (с лопастями гнутой или прямой формы), 2) с горизонтальной осью вращения ротора с лопастями на поворотной платформе, установленной на башне. Преимущества ВЭУ с вертикальной осью состоят в простоте ремонта и обслуживания ротора, электрогенератора и т.д., т.к. не нужна установка дорогостоящей башни, и тяжелое оборудование расположено на земле. Кроме того, ротор не требует ориентировки по ветру. С другой стороны, для запуска ВЭУ нужен дополнительный привод (электромотор или ротор Савониуса), при работе генерирует вредную высокочастотную вибрацию (разрушает подшипники и т.д.), стоимость их сооружения пока выше, чем ВЭУ с горизонтальной осью. Самая крупная ВЭУ с ротором Даррье мощностью 4 тыс. кВт (высотой 100 м) построена в 1987 году в Канаде и обошлась в 27 млн. дол. (в ценах 1984 г.) или в 6,75 тыс. дол./кВт.24 Более мелкие установки стоят дешевле. Так, ВЭУ модели 6400 фирмы Indal Technologies Inc. мощностью 500 кВт с двумя лопастями из прессованного алюминия высотой 51 м (с диаметром ротора 24,4 м) стоит 560 тыс. дол. или 1120 дол./кВт. Общая масса ВЭУ - 38,3 т, в т.ч. ротора - 20 т, двух лопастей - 3,2 т (2х1,58 т) и стальной конической мачты с расчалками - 15,1 т.24

Наибольшее распространение получили ВЭУ с горизонтальной осью (давно освоенные промышленностью). Самая мощная среди них ВЭУ фирмы «Гроссе Виндэнерги-Анлаге» мощностью 3000 кВт, высотой 150 м (построена в 1982 г. на Фризском побережье ФРГ).25 Имеет 2 стальные лопасти длиной по 30 м и весом по 30 т, и бетонную башню диаметром от 9 м (у основания) до 3,8 м (на верху).

Экономически эффективными в настоящее время являются ВЭУ средней мощности. Например, ВЭУ модели 180 (фирмы Windtech Inc) мощностью 80 кВт (диаметр ротора - 15,9 м) стоит всего 46 тыс. дол. или 575 дол./кВт.

Срок службы ВЭУ с горизонтальной осью составляет 20 лет.24 Среднегодовая выработка электроэнергии зависит в первую очередь от средней скорости ветра. При среднегодовой скорости ветра - 6 м/сек. ВЭУ мощностью 150 кВт дает 325 тыс. кВт-час электроэнергии или 2167 кВт-час/кВт мощности.25 В Дании все ВЭУ дают в год в среднем 1164 кВт-час/кВт.26 Общее представление о составе и размерах основных узлов дает распределение массы ВЭУ мощностью 1500 квт(для среднегодовой скорости ветра 8 м/сек): ветроколесо - 10,6 кг/кВт, редуктор - 13,9 кг/кВт, генератор - 3,4 кг/кВт, главный вал - 1,5 кг/кВт, подшипники главного вала - 1 кг/кВт, соединительные муфты - 1,6 кг/кВт, несущая платформа и поворотный узел механизма ориентации - 7,3 кг/кВт, стальная башня ферменной конструкции - 35,7 кг/кВт, бетонная башня - 197 кг/кВт, всего ВЭУ со стальной башней - 75 кг/кВт, а ВЭУ с бетонной башней - 236 кг/кВт. Стоимость ВЭУ распределяется следующим образом: ветроколесо - 28,7%, система передачи момента (главный вал, подшипники, редуктор) - 25,1%, электрическая система (генератор и т.д.) - 9,4%, система управления - 2,1%, башня (бетонная) - 8,9%, несущая платформа и поворотный узел - 5,7%, стоимость монтажных работ - 5,5%, непредвиденные расходы - 13%. Трудоемкость монтажа головки ВЭУ мощностью 1,5 тыс. кВт - ок. 16 чел.-недель (640 час.) (соединение несущей платформы, поворотного узла, установка главного вала, редуктора, генератора и т.д.). Лопасти ветроколеса выполняются в виде лонжеронной конструкции с обшивкой (эпоксидные стеклопластик, сталь и т.д.), заполненный волокнистым материалом. Имеются проекты, предусматривающие применение лопастей из секций, соединенных в центральной части с помощью болтов (для удобства транспортировки и механической обработки).27

Сооружены первые четыре ВЭУ в прибрежных морских районах Швеции и Дании (на стационарных основаниях). Есть примеры установки ветряных двигателей и на судах. Например, в Англии в 1985 году построена яхта «Revelation» (длиной 7,9 м, шириной 3,9 м) с 6-лопастным ветроколесом диаметром 7,5 м с приводом на винт и электрогенератор.28

ВЭУ могут быть использованы на САС наземного и морского базирования совместно с системой аккумулирования энергии (на периоды безветрия). Автоматизация работы ВЭУ не сложна, т.к. уже сейчас многие ВЭУ работают длительное время без обслуживания в автоматическом режиме. Наибольшие затруднения вызовет, видимо, автоматизация монтажа ВЭУ. Одноблочные ВЭУ большой единичной мощности как для наземных, так и для плавучих САС вероятнее всего будут двухлопастные с вертикальной осью типа Даррье. Для наземных САС вся ВЭУ собирается на земле в горизонтальном положении (лопасти, ротор, башня и т.д.) с помощью транспортно-монтажного робота (или персоналом), а затем поднимается с помощью лебедки и закрепляется на заранее подготовленном фундаменте рядом с корпусом САС (или на самом корпусе). Так монтируются в настоящее время опоры высоковольтных передач, радиомачты и т.д. На плавучих САС ВЭУ удобнее монтировать в горизонтальном положении на палубе башен плавучести дочерней САС и после спуска ее на воду поднимать в вертикальное положение лебедками. Для сборки и монтажа их на палубе могут быть использованы роботизированные средства сборки башен плавучести.

Проще и технологичнее для наземных САС создавать энергосистемы из большого числа небольших модульных ВЭУ, образующих «энергетическое» поле вокруг САС. Такие ВЭУ (с горизонтальной или вертикальной осью вращения) полностью собираются внутри САС, транспортируются в горизонтальном положении, монтажным роботизированным средством соединяется с заранее подготовленным фундаментом, переводится в вертикальное положение и закрепляется. В этом случае монтаж будет проще. Использование гибридных ВЭУ на плавучих САС ограничивается габаритами башен плавучести (не позволяющих, как правило, разместить на них достаточное число небольших ВЭУ для полного энергообеспечения САС). Поэтому они могут быть использованы чаще всего как дополнительный энергоисточник. Монтаж модульных ВЭУ на плавучей САС может быть еще более облегчен. При использовании складных башен плавучести собранные ВЭУ жестко соединяются с палубой башен, лежащих горизонтально на понтоне дочерней САС. После спуска САС на воду при подъеме башен плавучести вместе с ними встанут в рабочее положение и модульные ВЭУ.

Энергопотенциал волновой энергии почти в 50 раз выше, чем ветровой (в 8,6 превышает мировое годовое энергопотребление) и является рассосредоточенным по всей площади морей и океанов. Однако несмотря на большое число проектов и патентов практическое использование ее находится пока в зачаточном состоянии. Если не считать оснащения некоторых радиобуев маломощными волновыми генераторами (мощностью в десятки и сотни ватт), то можно сказать, что до последнего времени была создана только одна относительно крупная плавучая энергоустановка - волновая электростанция «Каймей» (Япония, 1979 г.). Станция размещена на понтоне водоизмещением 500 т, длиной 80 м, шириной 12 м, осадкой 4,1 м. На понтоне располагаются попарно 22 воздушные камеры (размером 6,0х4,5 м) свободно сообщающиеся снизу с водной поверхностью, а сверху через клапаны с воздушной турбиной. При волнении вода попеременно сжимает и разрежает воздух в камерах, и с помощью его приводит в движение турбины. Испытания проводились с турбинами мощностью до 100 кВт, но всего на понтоне может быть установлено 11 турбин с генераторами, дающих до 2 тыс. кВт энергии, а в среднем - 1,25 тыс. кВт. Станция «Каймей» обошлась в 3,1 млн. дол.29 или в пересчете на запланированную мощность - 2480 дол./кВт. Оптимальные для работы станции параметры волн: высота 2-4 м, длина - 75 м.30 Позже в 1986 году в Норвегии близ г. Берген вступила в строй волновая станция (видимо, наземная) типа осциллирующего водного столба с однонаправленной турбиной Уэллса мощностью 350-400 кВт и стоимостью строительства - 1,54 млн. дол. или 3,85-4,4 тыс. дол./кВт.31

Разработаны детальные проекты и проведены модельные испытания энергоустановок с качающимися элементами («утка» Солтера, плот Коккерелла, «моллюск», «гибкий рукав» и т.д.) и работающие на других принципах. Но многие из них имеют очень высокую материалоемкость (в плоте Коккерелла на 1 кВт мощности приходится почти 7 т массы установки)32 и недостаточную эффективность и поэтому до сих пор остаются нереализованными.

Волновые энергоустановки, в основном, могут быть применены на плавучих САС. (Хотя не исключается возможность использования волновой энергии и наземными САС, размещенными вдоль береговой линии.) Для волновой установки, так же как и для СЭУ и ВЭУ обязательно дополнение устройствами, аккумулирующими вырабатывающуюся энергии (на периоды спокойной воды). Энергоустановки с гидропневматическими преобразователями («Каймей», у г. Берген) достаточно компактны и могут быть размещены внутри корпуса плавучей САС (в нижних отсеках понтона). Поэтому специальные монтажно-сборочные автоматизированные средства для сооружения этих энергоустановок не требуется. Автоматизацию работы волновой энергоустановки легко осуществить. (Это подтверждает многолетняя эксплуатация сотен автономных навигационных буев.)

Основная проблема заключается в противоречии требований к окружающей среде, предъявляемых волновой энергоустановкой и остальной частью производственного оборудования САС. Эффективная работа энергоустановки (с приемлемой капитало- и материалоемкостью) возможна лишь в условиях сильного волнения (для «Каймей» высота волн 2-4 м), но возникающие при этом колебания корпуса САС затруднят работу другого технологического оборудования, а выполнение особо точных операций (производство полупроводниковых приборов, сборку и т.д.) сделают невозможным. Поэтому вопрос о применении волновых энергоустановок на плавучих САС требует тщательной увязки с оценкой надежной работоспособности всего оборудования САС в условиях повышенного волнения.

Потенциал приливной энергии относительно невысок и приблизительно равен ветровой энергии. К настоящему времени построена только одна промышленная приливная электростанция (ПЭС) во Франции на реке Ранс мощностью 240 тыс. кВт (1967 г, стоимостью 500 млн. фр.) и несколько небольших экспериментальных станций в РФ (Кислогубская мощностью 400 кВт), Канаде, КНР.

В открытом океане приливы практически не ощущаются, а для большинства прибрежных районов подъем воды не превышает 1-3 м (например, на Атлантическом побережье)33, что недостаточно для эффективной работы ПЭС. Поэтому все проекты таких станций ориентированы на очень ограниченное число районов с высоким (до 16 м) уровнем подъема воды (как правило, это мелководные и узкие заливы, бухты, устья рек).

Серьезным препятствием для использования этого вида энергии на САС является необходимость строительства массивных стационарных сооружений - плотин и дамб, перекрывающих свободное сообщение залива или бухты с открытым морем и тем самым создающих перепад воды для привода гидротурбин. Сооружение их требует больших объемов работ, которые не по силам отдельным САС. Поэтому использование приливной энергии на САС представляется маловероятным.

Энергопотенциал перепада температур океана оценивается в литературе в широких пределах: от кВт-час энергии до кВт-час энергии в год (в т.ч. доступный для переработки - кВт-час).34 Океанические тепловые электростанции, использующие разность температур поверхностных и глубинных слоев океана (ОТЭС) с замкнутым циклом состоят: из парогенератора - для получения пара низкокипящего рабочего тела (аммиака, фреона и т.д.) за счет контакта с теплой поверхностью морской воды, турбины, работающей на парах рабочего тела - для привода электрогенератора, конденсатора - для конденсации отработавшего в турбине пара за счет контакта с холодной морской водой, подаваемой насосом по трубопроводу с глубины 500-900 м; конденсатно-питательного насоса - для сжатия конденсата и подачи его в парогенератор. Созданы 3 демонстрационные ОТЭС, работающие по замкнутому циклу: ОТЭС мощностью 180 кВт, установленная в 1981 году на берегу в Науру (к югу от Маршалловых островов) и 2 плавучих ОТЭС мощностью 50 кВт (пущена в 1979 году) и 1000 кВт (пущена в 1980 г.), установленных вблизи Гавайских островов. Последняя смонтирована на переоборудованном танкере «Чепачет». Парогенератор и конденсатор представляли собой кожухотрубые конструкции длиной 15 м и диаметром 3 м из углеродистой стали, с установленной в них системой теплообменных трубок из титана (ок. 6000 трубок длиной 12,6 м, внешним диаметром 2,54 см с толщиной стенок ок. 0,7 мм и массой по 19 т, исходя из массы 1 пог. м. трубок 0,25 кг) и рассчитаны на получение 1000 кВт электрической мощности.35 Для улучшения теплообмена на трубки конденсатора было нанесено специальное покрытие. Рабочее тело термодинамического цикла - аммиак. Трубопровод холодной воды длиной 700м и эффективным диаметром 1,5 м сварен из полиэтиленовых труб длиной по 27 м. Масса трубопровода - 450 т. Для предотвращения обрастания каждые 24 часа в магистрали холодной и теплой воды в течение 1 часа подавали хлор (в концентрации 0,4 мг/л). Для этого же в трубки парогенератора запускались шарики из губчатой резины. ОТЭС в районе Гавайских островов работали на теплой воде с температурой 26° и холодной воде с температурой - 5,6°С, КПД установок (нетто) составлял 0,0117 (1,17%).36 Расход аммиака, пропускаемого через теплообменники для ОТЭС мощностью 50 кВт составлял 45 кг/сек. Испытания дали обнадеживающие результаты по всем показателям работы опытных установок и создают основу для создания промышленных ОТЭС.

В целях снижения стоимости ОТЭС и расхода дефицитных материалов для многих проектов предусматривается замена титановых трубок теплообменников алюминиевыми. Согласно расчетам, сделанным отечественными исследователями, для демонстрационной ОТЭС мощностью 500 кВт, технические и энергетические характеристики парогенератора и конденсатора с трубками из титановых и алюминиевых сплавов не имеют существенных различий.37 Разные лишь сроки службы: для титановых теплообменников - 30 лет, для алюминиевых - 15 лет.38 В некоторых проектах кожухи теплообменников делаются из железобетона (или как элемент корпуса ОТЭС).

Один из проектов ОТЭС замкнутого цикла с алюминиевыми трубками и оболочками теплообменников имеют следующие технико-экономические характеристики (для района в 170 милях на юго-запад от Флориды со средней температурой верхнего слоя воды - 39,1°С). Среднегодовая брутто-мощность ОТЭС - 325 тыс. кВт (максимальная - 451 тыс. кВт и минимальная - 251 тыс. кВт) и выработка электроэнергии за год - кВт-час. Паразитные потери мощности - 44-72 тыс. кВт (в среднем - 58 тыс. кВт), в т.ч. на привод насоса холодной воды - 21-36 тыс. кВт, насоса тепловой воды - 17-28 тыс. кВт, прочие потери на ОТЭС - 6-8 тыс. кВт (нетто-мощность ОТЭС отсюда составляет - 267 тыс. кВт). Трубопровод холодной воды имеет длину ок. 900 м и диаметр 35 м. Расход основных материалов на такую ОТЭС в коротких американских тоннах (1 кор. т = 907,2 кг): бетон - 900 кг/кВт брутто-мощности, конструкционная сталь - 76 кг/кВт, алюминий (оболочка и трубки теплообменников) - 22 кг/кВт, медь (для передающей на берег линии и т.д.) - 21 кг/кВт, прочие элементы (Mg, Mn, Cr, Zn) - 2 кг/кВт. Предельная стоимость ОТЭС распределяется следующим образом (в ценах 1976 г.) (в расчете на 1 кВт брутто-мощности): всего - 1630 дол/кВт, в т.ч. основа сооружений (платформа) - 224 дол./кВт, оборудование корпуса платформы (насосы и т.д.) - 81 дол./кВт, электрическая арматура платформы - 36 дол./кВт, трубопровод холодной воды - 66 дол./кВт, теплообменники (парогенератор и конденсатор) - 301 дол./кВт, насос аммиачной системы - 77 дол./кВт, оборудование для генерирования электроэнергии (турбины, генераторы и т.д.) - 148 дол./кВт, развертывание, швартование, подготовка места, прокладывание кабеля - 120 дол./кВт, кабели и оборудование для передачи электроэнергии на берег - 267 дол./кВт, системы для сохранения электроэнергии - 58 дол./кВт, запасные части - 62 дол./кВт, проценты на капитал - 177 дол./кВт.

Кроме рассмотренных выше, существуют проекты ОТЭС, основанные на иных принципах. Наиболее интересными, с точки зрения применения на САС, ОТЭС с открытым циклом работы. В качестве рабочего тела в них используется сама морская вода, подаваемая в испаритель (парогенератор) через деаэратор, освобождающий воду от растворимых в ней газов. Предварительно из испарителя и конденсатора удаляется воздух, что способствует выделению разряженных паров воды в испарители, которые приводят в движение турбину и сжижаются в конденсаторе. Главное достоинство таких ОТЭС - отсутствие гигантских нетехнологичных трубчатых теплообменников и специальных рабочих тел (аммиака, фреона). Кроме того, они побочно вырабатывают пресную воду из конденсата. Основная проблема - необходимость из-за малости перепада давления пара применять гигантские турбины диаметром в несколько десятков метров. Но в настоящее время она преодолена. Фирма «Вестингауз» разработала для таких ОТЭС турбину мощностью 100 тыс. кВт с диаметром ротора 19,8 м, длиной лопастей 12,2 м и частотой вращения 3 Гц. Турбина рассчитана на работу при температуре насыщенного пара на входе 23,4°С при давлении 2850 Па и давлении на выходе 1270 Па. Облегченные лопасти изготавливаются из композитных материалов (из оболочки пластика толщиной 1 мм, заполненной пенополиуретаном, и кромки из нержавеющей стали толщиной 0,6 мм). Разрабатываются турбины и со стальными лопастями. По одному из проектов ОТЭС с открытым циклом общей мощностью 100 тыс. кВт (выходной (нетто) мощностью 55 тыс. кВт) имеет 8 турбин диаметром по 20 м со стальными лопастями (КПД их - 0,85), пузырьковый испаритель с расходом пара 1,7 т/сек, расходом морской воды - 250 т/сек (механические потери мощности на работу - 14,5 тыс. кВт), деаэратор, удаляющий 80% газов (механические потери на его работу - 6 тыс. кВт) и прямоконтактный конденсатор с расходом морской воды - 190 т/сек (паразитная мощность конденсатора - 19,4 тыс. кВт).39 По оценке фирмы «Вестингауз» капиталоемкость ОТЭС открытого цикла на 30% выше, чем у ОТЭС закрытого цикла (1476 дол./кВт против 1000 дол./кВт). Но капитальные затраты сравняются, если отказаться от деаэрации и выработки пресной воды (путем замены поверхностной конденсации прямым охлаждением пара холодной морской водой).

Отечественными исследователями разработан проект арктической ОТЭС, в которой используется разность температур незамерзающей воды (из-под льда) и холодного воздуха. Рабочим телом в ней служит фреон-12. Капиталоемкость станции, по разным оценкам, составляет от 350 до 1500 руб./кВт.40 Она может быть использована при размещении САС в районах Крайнего Севера, но при этом надо учитывать, что станция будет работать только 180 дней в году, а на теплое время года потребуются аккумулирующие системы или другие источники энергии.

При использовании ОТЭС обычного типа на САС основная часть оборудования может быть размещена внутри корпуса САС и смонтирована теми же сборочно-монтажными роботизированными средствами, что и остальное производственное оборудование. Исключение составляет только трубопровод холодной воды. Его можно изготовлять из железобетона (с полостями плавучести) в вертикальном положении в скользящей опалубке (с роботизированным средством укладки арматуры и бетона) с постепенным погружением на глубину по мере наращивания трубы.

Применение энергоустановок, использующих разность температур воды, на САС оправдано только в постоянно теплых зонах мирового океана, т.к. только там разность температур обеспечивает приемлемую эффективность установки (КПД, капитало- и материалоемкость) и возможность ее круглогодичной эксплуатации (отпадает необходимость в аккумулирующих системах).

Годовая продукция фотосинтеза (по Г. В. Войтневичу) - 93 млрд. т углерода (С), в т.ч. на суше - 69 млрд. т С (или в среднем на га площади без Антарктиды - 5 т) и в океанах - 24 млрд. т С (в среднем на га площади - 0,7 т)41, что примерно равно 6-7 объемам мирового потребления энергии в год. Средний урожай биомассы в год (в пересчете на сухое вещество) в тропическом лесу - 10-25 т/га, в лесах умеренной зоны - 5-20 т/га, саваннах и лугах - 4-16 т/га, тундре - 0,05-2,0т/га, пустыне - 0,01-0,02 т/га. Средняя теплотворная способность биомассы составляет 18 Гдж/т сухого вещества (или 5тыс. кВт-час/т).

Биомасса аккумулируется в основном в виде прироста древесины в лесах (средние запасы - 168 т углерода/га) и органического вещества в грунте (гумуса, торфа и т.д.), запасы которого в верхнем метровом слое различных почв варьируют следующим образом (в тоннах углерода на 1 га и в % к массе почвы при средней плотности ее 1,5 т/м²): тундровой - 525 т С /га (3,5%), торфяной - ок. 8000 т С/га (53,3%), подзолистой - ок. 100 т С/га (2,58%), пустынно-степной песчаной - 75 т С/га (0,52%).42 Из выше приведенных цифр видно, что в качестве источников энергии для наземных САС могут быть использованы только лесные массивы и торфяные почвы. Общая площадь лесов в мире - 36 млн. км², с запасом древесины - 360 млрд. м³.43 Общая площадь торфяников только в СССР - 0,715 млн. км², в т.ч. промышленных залежей - 0,585 млн. км² с запасами торфа - 165,2 млрд. т (53,8% мировых запасов).44

Ежегодно в мире в энергетических целях используется ок. 2 млрд. м³ древесины и 200 млн. т торфа. Хотя основная часть их идет на бытовое отопление, также крупные масштабы имеет промышленное использование древесины и торфа, в т.ч. и для выработки электроэнергии. Только в СССР, к 1965 году действовало 68 торфяных электростанций общей мощностью 3600 Мвт.44

Кроме непосредственного сжигания биомасса и торф могут быть подвергнуты газификации с последующим использованием топливного газа в различных энергоустановках (двигателях внутреннего сгорания, турбоустановках и т.д.). Для САС газификация предпочтительнее, т.к. облегчает автоматизацию энергоустановок, позволяет применять для выработки электроэнергии двигатели внутреннего сгорания, дает эффективный восстановитель для металлургических процессов и сырье для органического синтеза.

Существуют два основных способа газификации: 1) анаэробное сбраживание биомассы микроорганизмами в жидкой среде в закрытом отапливаемом резервуаре (менантенке) с выделением биогаза, состоящего из метана и углекислоты, 2) термическая газификация в газогенераторах при 350-550° и подаче воздуха с образованием газа, содержащего СН4, СО, Н2, СО2. Для газификации биомассы применимы оба способа, для торфа - только последний. Сравнительные характеристики обоих способов выглядят следующим образом:45

	Анаэробное сбраживание	Термическая газификация
1) Нагрузка на реактор по органическому веществу (кг/м³·час)	0,07
2) Время пребывания сырья в реакторе (час)	240-280	0,17-0,33
3) Производительность реактора (МДж/м³·сут.)	0,011-0,149	538,3
4) Температура реактора	35-55	350-550
5) Термический КПД (%)
6) Органический остаток (в % от массы исходного вещества)		<5
7) Допустимое содержание воды в сырье (%)	>20	<50
8)Капиталоемкость

Сбраживающие менантенки широко используются в развивающихся странах. Например, в Китае действует 7 млн. домашних примитивных установок биогаза гидравлического типа объемом до 6 м³ и производительностью до 0,2 м³ биогаза в день. Стоимость их от 35 до 50 дол.46 Среди современных установок есть с мощностью, достигающей 6210 м³ биогаза в сутки («БЭУ», г. Пярну, Эстония, имеет 2 менантенка емкостью по 3260 м³, стоимость установки 2790 тыс. руб, на собственные нужды расходует - 3783 м³ биогаза в сутки). Одна из наиболее эффективных по использованию биомассы установка «Энбом» (Финляндия) дает 181 м³ биогаза в сутки (в т.ч. 64 м³ потребляет на отопление менантенка и другие собственные нужды). Масса установки - 4,2 т и стоимость 168 тыс. руб.в ценах 80-ых годов.47

Сейчас в мире эксплуатируется 320 установок термической газификации биомассы. Средняя производительность установок - 50 Гдж/час, стоимость их колеблется от 325 до 970 тыс. дол.48 В 30-40 годы газогенераторами, работающими на дровах, оснащались автомобили и трактора (в СССР их было выпущено несколько десятков тысяч).

В целом термическая газификация более предпочтительна для наземных САС, чем анаэробное сбраживание, т.к. осуществляется в компактных установках с достаточно низкой металло- и капиталоемкостью, с высоким КПД. При эксплуатации лесных ресурсов САС должна быть оснащена роботизированным мобильным лесозаготовительным комбайном с системой технического зрения, осуществляющим автоматическое срезание дерева, отделение ветвей и сучьев, разделку ствола на балансы и транспортировку древесной массы. За основу его могут быть взяты уже широко применяемые в лесной промышленности многооперационные лесосечные машины типа Харвестеров (комбайнов). С помощью манипулятора они осуществляют валку дерева, затем отделяют сучки сучкорезным устройством, разрезают ствол на кряжи нужной длины и укладывают их в пакеты, а иногда транспортируют. Примером такой машины является JD 743 Харвестер, выпускавшийся серийно фирмой «Джон Дир» (США). Машина весом 10 т, мощностью 112 кВт, стоимостью 150-200 тыс. дол. обрабатывала дерево за 20 сек. (100-120 м³ древесины за смену или 12,5-15 м³/час). Валка дерева шла под управлением оператора, остальные операции - автоматически.49

Механизированная добыча торфа осуществляется разными способами: элеваторным, экскаваторным, гидравлическим, фрезерным. Последний преобладает и сводится к выполнению нескольких последовательных операций (рыхлению тонкого верхнего слоя торфа, естественной сушки с периодическим ворошением, сгребанию в валки, уборке и транспортировке). Для САС этот способ мало применим, т.к. требует сооружения мелиоративной сети для предварительного осушения заболоченных торфяных залежей и комплекса специализированных мобильных машин. Кроме того, добыча ведется сезонно (только в течение времени, благоприятного для естественной сушки). Более технологичным и приемлемым будет добыча и транспортировка торфа естественной влажности элеваторным, экскаваторным или гидронасосным способом на борт САС с последующим механическим обезвоживанием (на пресс-фильтре или центрифуге), искусственной сушкой (дымовыми газами) и газификацией. Данный способ более энергоемкий, чем фрезерный, зато легче поддается автоматизации и не зависит от погодных условий. Имеется положительный опыт эксплуатации агрегата искусственной сушки мощностью 50 тыс. т торфа /год на Подозерском торфопредприятии Ивановской области.50

При эксплуатации торфяных ресурсов определенные проблемы возникнут из-за низкой несущей способности грунтов (болота, топи и т.д.). Корпуса САС для таких районов должны иметь большие площади опоры или даже плавучие конструкции. Наилучшее средство перемещения САС и добывающего средства в этих условиях будет воздушная подушка.

Наиболее серьезным препятствием для использования лесных и торфяных ресурсов, как источника энергии для САС, может стать экологический фактор, т.к. их эксплуатация в широких масштабах (особенно лесных угодий) может нанести ущерб окружающей среде.

Искусственное обезвоживание торфа наиболее экономично с помощью механических прессов непрерывного действия (кольцевого или гусеничного типа). Действующий образец такого пресса гусеничного типа был установлен на Шилужском торфо-подстилочном заводе (Литва). Слой торфа (18-45 см) пропускался между двумя сходящимися движущимися гусеницами с фильтрующими отверстиями со скоростью 0,34-0,9 м/мин. Гусеницы длиной 2 м и шириной 250-300 мм крепятся на раме, и зазор между ними на выходе регулируется от 15 до 90 мм. Габариты пресса - 2,5х2х2,25 м, вес 5 т, мощность двигателей 16,5 кВт. За 1 час работы пресс дает 2 т торфа с влажностью 78-80% (исходная влажность торфа - 92-93%) и удаляет 57% заключенной в торфе воды.51 Для снижения влажности до уровня достаточной для сушки торф должен быть 2-3 раза пропущен через пресс. Пресс может быть установлен непосредственно на движущемся добывающем устройстве, в качестве которого на небольших САС могло бы быть использовано транспортное средство (для перемещения блоков и т.д.). Фондоемкость механических систем искусственного обезвоживания торфа по оценкам специалистов была равна 25 руб./т торфа обезвоженного до 68% в год (в ценах 80-х годов).

Возможен для САС также электроосмотический способ обезвоживания торфа. В электроосмотическом фильтр-прессе при давлении 4-2,5 атм., температуре - 45° предварительно измельченный торф под действием постоянного тока откладывается на положительном электроде, а вода собирается на фильтрующей пластине-катоде и удаляется. За 50 мин. влажность торфа снижается с 90% до 68% с расходом 130 кВт-час. энергии на 1 т сухого вещества. Фильтр-пресс с 50 камерами размером 1,5х1,5 м и зазором между электродами 15 мм давал в сутки 25,6 м² торфа с влажностью 68% или 8 т сухого вещества.52

На предварительно осушенных территориях возможна традиционная фрезерная добыча торфа с естественной его сушкой. Наиболее удобно применение пневматического комбайна, собирающего высушенный торф и одновременно фрезерующего следующий слой (на глубину 6-12 мм), который убирается через день с одним промежуточным ворошением. Примером такой установки является серийно выпускаемый самоходный комбайн МТФ-51 (производительность - 1,6 га/час, ширина захвата - 4,8 м, мощность - 158 кВт, масса 14,8 т).53 Для САС более целесообразен малогабаритный навесной (или прицепной) комбайн, устанавливаемый на универсальное роботизированное транспортное средство. Чтобы облегчить автоматизацию уборки торфа, необходимо исключение операции ворошения (путем удлинения сроков сушки, уменьшения фрезеруемого слоя и т.д.).

Предварительно обезвоженный одним из рассмотренных способов торф проходит сушку (для доведения влажности до 16 %). Наиболее приемлемый для САС вариант - сушка торфа отходящими газами энергоустановки. Пневмогазовая сушилка длиной 4,5 м, диаметром до 1 м, массой 1,5 т дает до 5 т торфа влажностью 12-18% в час (при исходной влажности - 60%).

Высушенный торф обычно брикетируется на торфобрикетных прессах для удобства транспортировки и т.д. На САС целесообразно отказаться от использования этого материалоемкого и энергоемкого оборудования (пресс производительностью до 4 т брикетов/час весит 8 т и потребляет 125 кВт) и подавать в газогенератор сразу пылевидный торф. Имеется положительный опыт непосредственной газификации пылевидного торфа в газогенераторах. На опытной установке производительностью 25 т торфа/сутки и диаметром шахты - 500 мм конструкции Института Торфа подсушенный и измельченный торф с влажностью 14% газифицировался во взвешенном состоянии с выходом 2,27 м³ газа теплотворностью 1145 кал/ м³ с 1 кг торфа (при влажности 24% - выход 2,05 м³ газа с 970 кал/ м³ на 1 кг). Во ВНИГИ газифицировали натуральный торф без сушки в газогенераторе, над шахтой которого устанавливалась подсушивающая камера с тарелками и двигающимися грибками. В газогенераторе диаметром 1,1 м и высотой 6,3 м (без подсушивающей камеры) газифицировалось 25 т торфа влажностью 40% в сутки с выходом 1,53 м³ газа теплотворностью 1225 кал/ м³ на 1 кг торфа, КПД газификации = 58,9. Капиталоемкость 1 мегакалории газа в у Инсторфа равнялась 17 руб., а у ВНИГИ - 5,56 руб. в ценах 40-ых годов.54

Для выработки электроэнергии генераторный газ сжигается в двигателе внутреннего сгорания или газовой турбине, соединенных с электрогенератором. Использование газовой турбины на САС маловероятно, т.к. в ней используются дефицитные жаропрочные материалы. Из двигателей внутреннего сгорания наиболее предпочтителен 2-хтактный, т.к. он проще по конструкции и компактнее, чем 4-хтактный. И его легче изготовить на борту САС (нет клапанов из жаропрочной стали, распредвала и т.д.). В то же время 2-хтактные двигатели имеют более низкий КПД (35-37% против 38-41%) и меньший срок службы, чем 4-хтактные. Но это не мешает им вытеснять 4-хтактные моторы из электроэнергетики. (Так, например, 431 газовых 2-х тактных двигателей общей мощностью 861 тыс. л.с. работают на алюминиевых заводов США.Удельный расход газа - 1900 ккал/л.с.-час (мотор «Норд берг» RTS-1412, частота вращения 400 об./мин., литровая мощность 4,9 л.с. против 1600 ккал/л.с.-час у 4-хтактных).55 С целью увеличения сроков службы целесообразно на САС использовать низкооборотные двигатели. Так, 2-хтактный газомотор МГ-3500 мощностью 3500 кВт с частотой вращения - 710 б./мин., КПД=33%, удельной массой - 8 кг/л.с. имеет моторесурс до капремонта - 50 тыс. часов, а у 2-хтактного газомотора МК-8 мощностью 2800 л.с. с частотой вращения 300 об./мин., КПД=35%, удельной массой - 34 кг/л.с. ресурс до капремонта - 100 тыс. час.55

Эксплуатация естественных морских биоэнергоресурсов осуществляется пока в небольших масштабах. Для энергетических и других целей в год в мире добывается ок. 1,7 млн. т водорослей (в т.ч. 50% - выращивается)56 и в основном примитивными способами. В тоже время есть проекты крупномасштабной механизированной добычи и переработки водорослей. Так, для Венецианской Лагуны разработано судно, которое с помощью режущих и волочильных приспособлений может собрать 1 млн. т сырых водорослей в год (или ок. 160 тыс. т сухих), и в размещенных на борту менантенках ферментирует в биогаз. На пилотной установке с менантенком емкостью 5 м³ получают 100 л биогаза (состава 55-65% СН4, 35-45% СО2, 0,7-1% Н2S) из 1 кг сырой массы (или 600 л из 1 кг сухих водорослей). В летнее время ферментированные отходы, содержащие 50% сухой биомассы, высушиваются на солнце и направляются в реактор, где получают древесный уголь, затем водяной газ, который превращают в метанол.57

Использование естественных запасов водорослей для плавучих САС ограничивается прибрежными районами с высокой концентрацией водной растительности (лагуны и т.д.). Таких районов немного. Добыча может вестись как с борта самой САС (легче технически осуществимо), так и с помощью специального автономного автоматического сборщика. Высокая влажность водорослей благоприятствует их анаэробной газификации. Однако применение экономичных способов сушки (солнечной, за счет утилизации отходящего тепла различных процессов) позволяет с равной эффективностью использовать термические способы обработки.

Как для плавучих, так и для наземных САС, эксплуатирующих неорганические источники энергии, также целесообразно предусмотреть системы сбора биомассы и органического вещества, рассеянных в окружающей среде (воде или грунте), для использования их в качестве источника углеродного сырья для органического синтеза необходимых материалов. Из грунтов часть органического вещества может быть выделена на САС методами гравитационного разделения, флотации, выщелачивания (водой, щелочами, экстрагентами), а для сбора планктона, микроводорослей и других организмов из морской воды на плавучих САС можно использовать специальный трал или фильтр.

Искусственное культивирование биомассы многократно увеличивает энергопотенциал САС, работающих на органическом топливе. Уровень его зависит от степени усвоения (превращения) солнечной энергии культивируемыми растениями.

Максимальное количество углеводов, полученных в результате фотосинтеза в лабораторных условиях при красном свете, соответствует эффективности превращения - 27% световой энергии (10 квантов/моль фиксированного СО2). В сельском хозяйстве максимальные урожаи за короткие периоды достигают 10% превращения общей видимой радиации.58 Но чаще - значительно ниже. Наиболее продуктивные среди сельхозкультур имеют среднегодовой урожай сухой массы (т/га в условиях США): сахарная свекла - 10 т/га (рекорд - 29 т/га), картофель - 5,7 т/га (рекорд - 19 т/га), кукуруза - 4,4 т/га (рекорд - 18 т/га)59. Среди деревьев наиболее продуктивны при коротком периоде оборота: красная ольха (24,5-49,4 т массы печной сушки /га прироста биомассы в год); гибридный тополь (от 4,9 до 21 т/га), эвкалипт (24,5 т/га и более в год.60 Но наибольшей урожайностью обладают водоросли. Максимальный выход сухой массы в год для морской водоросли Laminario составляет 241 т/га (при сгорании даст 660 млн. ккал. энергии / га), для Macrocystis - 172 т/га (490 млн. ккал./га)60. Культивация микроводорослей (хлореллы, Scenedesmus и т.д.) дает выход сухой биомассы в пересчете на гектар - до 80 т/га в год. (Болгария, 1970 г.)61

Наиболее высокая продуктивность предопределила и выбор культур для разработки различных энергетических проектов. Самый крупный среди реализованных проектов по культивированию биомассы в энергетических целях - это программа Бразильского правительства по переводу автомобильного транспорта с бензина на спирт, получаемый из сахарного тростника. Общие капиталовложения на период 1977-1986 г.г. - 3,15 млрд. дол.62 В 1985 году было произведено на 560 спиртовых заводах 11,5 млн. м³ спирта, который заменил 1/3 потребляемого бензина. Площади под сахарным тростником составили - 3,8 млн. га, урожайность - 75 т/га, выход спирта - 80 л на 1 т тростника.63 Сухие тростниковые остатки также идут на энергетические цели. Сейчас в Бразилии 12,5% электроэнергии производят с использованием их.64 В целом капиталоемкость программы может быть оценена в 22. дол./т массы тростника, выращенной и переработанной.

Разработаны проекты лесоводческих энергетических хозяйств. Один из них предполагает создание хозяйства мощностью 617,7 тыс. т биомассы печной сушки в год (достаточно для работы ТЭС мощностью 50 Мвт) с 6 полями лесопосадок с 6-летним оборотом, средней урожайностью 19,8 т биомассы печной сушки/га в год и общей площадью 31 тыс. га. Удельные капитальные затраты (в ценах 1978 г.) составляли 2890-2352 дол./га, в т.ч. подготовка и окультуривание земли - 568-30 дол./га, немощенные рабочие дороги - 1297 дол./га, ирригационные системы с оборудованием - 704 дол./га, посадки и посадочный инвентарь - 321 дол./га.65 Убирать урожай будет специальный комбайн, близкий по конструкции силосоуборочному, с пропускной способностью 60 т массы печной сушки/час, шириной захвата 2,44 м, рабочей скоростью 0,8-4,8 км/час. А полевые испытания, проведенные в шт. Джорджия (США) показали, что двухлетние поросли платана можно убирать обычным комбайном для уборки кукурузы на силос.65

Уборка урожая одна из наиболее сложных для автоматизации земледельческих операций. Поэтому представляет интерес уровень достижений в этой области. В Японии еще в 1976 году был создан и успешно испытан автоматический рисоуборочный комбайн, состоящий из ходовой части с эластичными гусеницами, двигателем, жаткой, и молотилкой. Он срезал стебли, обмолачивал и сортировал зерно с последующей упаковкой в мешки. Ширина захвата жатки его - 3-4 рядка, мощность двигателя - 13 кВт, масса - 1,3 т. Комбайн автоматически двигался вдоль нескошенных рядков, по мере прохождения загона он автоматически поворачивался под прямым углом, начиная движение по новой загонке, перпендикулярно предыдущей. После уборки чека комбайн автоматически останавливался.66 К сожалению, не известны производительность, примерная стоимость и другие характеристики комбайна, тем не менее факт успешной работы такой сложной машины свидетельствует о технической осуществимости создания в настоящее время автоматического комбайна для уборки сельскохозяйственных культур и лесопосадок,а также других сельскохозяйственных работ на энергетическом биополе наземной САС. Автоматический сельскохозяйственный комбайн должен быть машиной многоцелевого назначения с комплектом различных съемных орудий. Оснащенный бортовой ЭВМ, системой технического зрения и щупами контурного вождения, он, в зависимости от монтируемых на нем орудий и приспособлений, будет осуществлять вспашку и другие почвообрабатывающие операции, посев, внесение минеральных удобрений, уборку и транспортировку биомассы, а в случае необходимости - также планировку земли, рытье оросительных каналов, орошение культур. В целях упрощения автоматического движения комбайна, сокращения транспортных перевозок и рационализации землепользования, энергополю целесообразно придать форму круга, в центре которого размещается САС. Короткие транспортные и технологические расстояния позволяют использовать на комбайне различные энергоустановки, в т.ч. обычный двигатель внутреннего сгорания, работающий на этаноле (полученном сбраживанием биомассы) или синтетическом бензине (полученном из синтез-газа способом Фишера-Тропша), газовый двигатель внутреннего сгорания, работающий на баллонах сжатого на САС биогаза или с помощью бортового газогенератора на биомассе, электропривод с аккумуляторами.

На наземных и плавучих САС возможна также культивация микроводорослей. Более 40 лет в мире сооружаются небольшие установки по выращиванию хлореллы в цементных бассейнах, лотках и т.д. В 1951 г. в США была пущена установка для выращивания хлореллы в двух трубах шириной по2,22 м и длиной 20 м из полиэтиленовой пленки толщиной 0,1 мм. Культура объемом 4550 л при толщине слоя суспензии ок. 60 мм непрерывно циркулировалась центробежным насосом и охлаждалась до 27°С. В культиватор подавался воздух с 5% СО2, концентрация биомассы в суспензии - 0,3-0,5г. абсолютно сухого вещества (АСВ)/л67, сбор биомассы - центрифугированием. За 3 месяца собрано было 33-35 кг АСВ. Урожай в расчете на гектар за год составил 15,8 т АСВ. Расходы электроэнергии на перекачивание суспензии при выращивании микроводорослей составляют 12-25 кВт-час в день в расчете на 1 га.68 Для культивирования микроводорослей на морской поверхности (Аральское море) разработан проект биосоляра (В.В. Алексеевым). На поверхности воды помещаются культиваторы с суспензией микроводорослей - плоские поплавки из армированной полиэтиленовой пленки, которые благодаря волнению воды и ветра могут функционировать без барботажа (перемешивания) и иметь высокую концентрацию биомассы (0,5 кг/м³ воды). Внутрь культиваторов подается питательный раствор и 3%-ная смесь СО2 с воздухом. СО2 получают терморазложением СаСО3 с помощью гелиостатов (площадь гелиостатов составит 0,01 площади культиваторов). СаО гасится водой и затем соединяется с СО2 воздуха. Алексеев В.В. оценивает продуктивность системы в 40 г АСВ/м² в сутки (или 1 т условного топлива в год с 70 м² площади культиваторов), что соответствует примерно 8% утилизации солнечной энергии. (Нам представляется такая оценка завышенной как минимум в 2 раза.) Водоросли будут сбраживаться в менантенках (с КПД=80%) в биогаз. По проекту биосоляр с культиваторами площадью 70 км² будет производить в год 1 млн. т условного топлива в виде биогаза и будет стоить 100-150 млн. руб. (в ценах 80-х годов), в т.ч. армированная полиэтиленовая пленка - 35 млн. руб. (исходя из расчета 4 руб./м²), менантенки - ок. 17 млн. руб. (100 менантенков емкостью 1000 м³ и стоимостью по 168 тыс. руб. каждый). В системе будет циркулировать 1500 т различных биогенных элементов - солей фосфора, калия, азота и т.д. Срок службы системы оценивается в 10 лет.69

Подобная система, но меньших размеров может быть развернута и на плавучей САС. Длинномерные рукава из полиэтиленовой пленки, изготовленные на обычной экструзивной машине и намотанные на барабаны, развертываются на водной поверхности рядом с САС малогабаритным самоходным автоукладчиком вместе с системой тросового крепления и трубопроводного снабжения культиваторов, образуя энергетическое поле (прямоугольной или иной формы), соединенное с САС системой тросов и трубопроводов. Работа такой энергосистемы легко автоматизируется. Посев, питание и сбор урожая в культиваторах будет сводится к периодической подаче или откачке растворов и суспензий насосами. Для концентрации биомассы могут быть использованы центрифуги. Замена вышедших из строя культиваторов может осуществляться путем сматывания поврежденных рукавов с одновременным разворачиванием нового, закрепленного на одном из его концов (эту работу можно выполнить автоукладчиком или с борта САС). Для развертывания биоэнергосистемы автоукладчик (типа катера и т.д.) должен быть оснащен бортовой ЭВМ, роботизированным манипулятором, системой технического зрения. Может быть также предусмотрено управление его работой по проводу или по радио с центрального поста слежения САС.

В качестве источника энергии на плавучих САС могут быть использованы и культивируемые крупные морские водоросли. Первая экспериментальная ферма по выращиванию бурой водоросли Макроцистис площадью 3 га была построена в 1974 г. вблизи о. Сан-Клемента (в 100 км от Калифорнийского побережья США) с глубиной моря 90 м. Ферма представляла собой заглубленный на 12 м гибкий плот, по периметру которого размещались поплавки, соединенные полипропиленовыми канатами, с которых спускались вниз такие же канаты для выращивания водорослей. Плот удерживался системой якорей.70 Плотность посадки растений составляла 100 шт на 1 га (с интервалом в 3 м) и обеспечивала сбор урожая - 750-1200 т сырой биомассы/га в год.71

Более совершенная плавучая ферма была сооружена в 1978 г. в районе севернее Лос-Анджелеса с глубиной моря - 600 м. Ферма предусматривала систему подъема глубинных вод, богатых биогенными солями, и состояла из буя (диаметром 2,7 м, длиной 13 м, объемом - 74 м³) с установленными внутри него насосами для подъема воды с приводом от дизеля мощностью 13 л.с., полиэтиленового трубопровода длиной 500 м (диаметр 0,6 м с толщиной стенок - 75 мм и общей массой - примерно 64 т) и рамы диаметром 30,3 м, образуемой 6 спицами (диаметром по 0,6 м и длиной по 15 м) с натянутыми на нее синтетическими канатами для крепления водорослей. Спицы крепились на шарнирах к жесткой секции трубопровода на глубине 18 м и могли складываться, что облегчает монтаж фермы. Рама фермы была рассчитана на 100 водорослей и имела полезную площадь - 0,1 га.72 Ферма устанавливалась с помощью пространственной якорной системы. На основании результатов испытания установки были разработана рекомендации для создания полупромышленной фермы-платформы площадью 400 га с системой переработки биомассы, которая сможет перемещаться в океане, создавая оптимальные условия для развития водорослей. В отличии от ОТЭС такие фермы-платформы могут базироваться в районах с более низкой температурой поверхностных вод. Используемая в экспериментах и проектах водоросль Макроцистис - не только одна из самых урожайных, но и относительно не трудоемкая. Требуется только периодическое (раз в 3 месяца) срезание молодых побегов. В посадке дополнительных фрагментов Макроцистис в отличие от других водорослей не нуждается.

Последний проект более технологичен для САС. При сооружении трубопровода глубинных вод из железобетона технология ее изготовления будет та же, что и на ОТЭС. Стальные спицы рамы (достигающие в длину нескольких сот метров) могут собираться из составных секций в вертикальном положении вместе с наращиваемой трубой трубопровода теми же роботизированными средствами, которые собирают и сваривают арматуры трубы. После завершения строительства и спуска дочерней САС на воду шарнирно соединенные вверху основанием трубопровода спицы вместе с установленной на них сеткой канатов переводятся с помощью тросов в горизонтальное положение и закрепляются. Для посадки рассады и сбора урожая должен быть создан мобильный подводный робот с 1-2 манипуляторами, режущим устройством, системой технического зрения и механизмом передвижения по системе канатов. Для энергоснабжения и транспортировки собранной биомассы робот должен быть соединен с корпусом САС кабелем и торсом. Специальное грузовое устройство, совершающее челночные перемещения между роботом и САС, транспортирует собранную биомассу.

Наиболее эффективно сочетание такой системы культивирования макроводорослей с другой энергоустановкой - ОТЭС. В этом случае можно использовать трубопровод холодной воды для снабжения водорослей биогенными веществами и тем самым сократить капитало-, материало- и энергоемкость энергосистемы в целом.

Культивируемая биомасса на наземных и плавучих САС может перерабатываться теми же способами, что и естественная. Применение спиртового брожения биомассы в условиях САС маловероятно из-за сложности технологии и преобладания стационарных потребителей энергии. При возделывании водорослей наиболее перспективно метановое анаэробное брожение биомассы. Методика, разработанная в Институте газовой технологии (г. Чикаго) позволяет достичь КПД переработки - 75% от теоретически возможного, т.е. ок. 19 м³ метана из 1 т сырых водорослей (теоретический предел - 25 м³ СН4/т). По ней измельченная масса сырых водорослей с водой загружается в менантенки и сбраживается 15 суток при t°=25°С с добавкой 25 кг водорослей на 1 м³ объема реактора в сутки. В будущем ожидают сокращения цикла до 6 суток и приближения к теоретическому пределу.72

Достоинством анаэробного сбраживания является также сохранение всех минеральных соединений в жидких отходах, накапливающихся в менантенке. Это позволяет использовать их как удобрения, создав почти замкнутую систему кругооборота биогенных элементов и сократить до минимума потребность в минеральных удобрениях. В случае культивации макроводорослей (вместо минеральных удобрений используют нижние слои воды) такая переработка позволяет получить сырье для выделения некоторых необходимых САС элементов, аккумулированных водорослями из морской воды (в водорослях в среднем в расчете на 1 т сухого вещества содержится 15 кг N, Ca 10 кг, 12 кг S, 52 кг K, от 0,03 до 1,5 кг I, 0,7 кг Br, 0,15 кг Zn, 0,05 кг Mn, 0,12 кг B и т.д.)73

Для САС, культивирующих биомассу, необходимо создание системы сбора, обработки и хранения семенного и посадочного материала, а в некоторых случаях и производство минеральных удобрений.

Важное значение для выбора энергоустановки имеет ее материалоемкость и использование дефицитных материалов. Некоторое представление об этом дает таблица №8

Тип энергоустановки

Материалоемкость (кг/кВт) всех ма- бетон металл прочие териалов (в основ- ном сталь

Примечание

Источник

Термические СЭС башенного типа

660-1360

300-1000

(стекло)

Термические СЭС модульного типа