Энергия циклонов: можно ли использовать ураганы в своих целях22.01.2018 12:06

Роман Фишман

22 января 2018 12:00

Обсудить 0

Тропические циклоны приносят сплошные беды. Ожидая худшего, метеорологи во все глаза следят за их ростом и движением, а жители прибрежных городов готовятся к эвакуации. «Огромные разрушения, серьезно повреждены здания, строения и дома, деревья вырваны с корнями, растительность уничтожена», — описывает их шкала Бофорта. Большие турбины, ловящие «чистую» энергию ветра, останавливают вращение, чтобы не разрушиться под его напором. В 2005 году на одной башне ветрогенератора в Великобритании механизм такой блокировки сломался. Неподготовленная встреча с бурей закончилась тем, что раскрученные до бешеной скорости детали ветряка раскалились и вспыхнули.

По той же шкале Бофорта полноценный ураган начинается со скорости ветра 30 м/с. Тропический циклон питается испарением теплой воды и над сушей быстро теряет силу. Но пока приток энергии сохраняется, она преобразуется ураганом, как тепловым двигателем, в механическую энергию ветра, в конденсацию водных паров. Сила этого натиска вызывает трепет: самый заурядный тропический циклон (радиус 60 км и скорость 40 м/с), по оценкам американского Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA), несет примерно 1,5 тераватт кинетической энергии. Конденсация воды в тучи и капли дождя отнимает около 600 ТВт — эта цифра на порядки больше всех текущих потребностей человечества.

На карте показаны траектории всех североатлантических ураганов с 1851 по 2012 год. Точками указаны положения эпицентров с шестичасовыми интервалами времени. Цвета линий соответствуют уровню потенциального ущерба по шкале ураганов Саффира — Симпсона, от светло-желтого (категория 1, скорость ветра 33−42 м/с) до красного (категория 5, скорость ветра более 70 м/с).

Использовать энергию конденсации в таких масштабах пока невозможно, но вот силу ветра превращают в электричество уже давно и все шире: только в 2016 году в мире было установлено ветрогенераторов на 54 ГВт. Но даже на этом внушительном фоне энергия средненького урагана выглядит источником почти неисчерпаемым, и мысли о том, как бы направить ее в мирное русло, возникают с завидной регулярностью. Последним в этом списке отметился знаменитый астрофизик Нил Деграсс Тайсон. Комментируя разрушения, которые принесла серия циклонов, прокатившихся по восточному побережью Атлантики осенью 2017 года, он воскликнул: «Где инженеры, где ученые, которые при приближении урагана не станут торопливо покидать город, а начнут работу над тем, чтобы укротить его энергию?»

Величайшие ураганы современности

• «Ирма», Северная Атлантика, 2017. 82 м/с
• «Патрисия», Восток Тихого океана, 2015. 96 м/с
• «Тип», Северо-восток Тихого океана, 1979. 72 м/с
• «Аллен», Северная Атлантика, 1980. 85 м/с
• «Уинстон», Юг Тихого океана, 2015−2016. 78 м/с

Снос крыши

Впрочем, есть такие ученые. Еще в 2015 году Ариндам Чоудхари и Андре Треман из Международного университета Флориды запатентовали систему AMPS (Aerodynamic Mitigation and Power System), которая должна одновременно улавливать энергию ураганного ветра и защищать здания от разрушений. Предполагается, что спиралевидные турбины, горизонтально уложенные по кромкам крыш или в трубах для стока воды, смогут использовать движение особенно мощных потоков, которые поднимаются при столкновении ветра с неподвижным препятствием. Такие потоки легко повреждают крышу при сильном ветре, но их можно ослабить, заодно превратив часть энергии в электричество.

Разработчики еще продолжают испытывать AMPS, хотя и не рассчитывают, что она выдержит лобовое столкновение с ураганом. Зато при сильных штормах, которые то и дело ведут к повреждению инфраструктуры и локальным отключениям электроснабжения, система даст дополнительную защиту и позволит запитать «небольшой холодильник, смартфон, ноутбук и несколько ламп». Для выработки электричества AMPS достаточно даже слабого ветра скоростью 2−3 м/с, и авторы уверенно планируют массовое производство таких установок.

Сила Магнуса

Полноценным инструментом для ловли ураганной энергии эту систему, конечно, не назовешь. Где бесплатные «чистые» гигаватты и тераватты? Где способность выстоять под самой сильной бурей? На все это AMPS просто не рассчитана. А вот японский инженер и создатель стартапа Challenergy Ацуши Шимицу ориентируется именно на такие условия работы своих безлопастных ветрогенераторов. Разработанные им «вертикальные ветряные турбины нового поколения» Magnus используют силу, возникающую при обтекании их потоком воздуха. Так действует эффект Магнуса: вращающееся тело создает вокруг себя вихревое движение, причем с одной стороны оно направляется туда же, куда и обтекающий поток, а с другой — обратно. Это приводит к разнице в скорости ветра и давления по разные стороны турбины, что образует силу, направленную перпендикулярно потоку ветра.

Вертикальное расположение оси вращения позволяет генератору Challenergy Magnus работать при любом направлении ветра, а использование эффекта Магнуса — и при почти любой его силе.

В ветряке Magnus используются три такие вертикальные турбины, укрепленные на раме в форме треугольной призмы. Возникающая в турбине сила вращает ее со вполне безопасной скоростью, а при пиковых скоростях ветра движение еще и подтормаживается механически. Первый метровый прототип, представленный Шимицу, собрал массу наград и позволил привлечь финансирование для следующих шагов. А в 2016 году на побережье Окинавы установили уже полноразмерный трехметровый прототип для полевых испытаний. Генератор работает и выдает электричество, хотя конкретных оценок его производительности и даже способности выстоять при настоящем урагане разработчики пока не дают.

И даже поплавки

Зато компания Ocean Power Technologies раскрывает конкретные цифры и даже успешно устанавливает генераторы PB3 по всему миру. Технология PowerBuoy использует энергию морских волн: они то поднимают, то опускают верхнюю подвижную часть конструкции относительно тяжелого якоря, и это движение преобразуется в электричество. 10-тонные плавучие буи практически не требуют присмотра, автоматически поддерживая заряд бортовых аккумуляторов емкостью от 44 до 150 кВт/ч в зависимости от комплектации, а если энергии вырабатывается с избытком, быстро рассеивают ее в виде тепла. Генераторы PB3 работают у берегов Японии, Шотландии и на Гавайях, монтируются в Испании и Австралии на глубинах от 20 до 1000 м.

Плавучие «волновые» генераторы OPT передают энергию на подводную подстанцию, к которой также можно подключить другие морские источники вместе с ветряками.

Но главной гордостью OPT остается случайная встреча с ураганом «Айрин», который в 2011 году прошелся по берегу Нью-Джерси, где как раз шла демонстрация PB3 американским военным. Порывы ветра достигали 190 км/ч (больше 50 м/с) и нанесли ущерб на сумму 10 млрд долларов, но плавучие генераторы остались неповрежденными. Представители ОРТ то и дело вспоминают это событие — безусловно, знаменательное, но проблему все-таки не решающее, ведь даже с тысячами таких генераторов сила циклонов останется практически неосвоенной. Все предложенное инженерами до сих пор можно сравнить с попытками муравьев использовать энергию сквозняка. К тому, чтобы действительно укрощать ураганы, мы даже не приступали.