Переход к экологически чистой энергии требует не только строительства гигантских турбин, но и глубокого понимания того, что происходит на дне океана. В лекции для The Royal Institution профессор Сьюзан Гурвенек (Susan Gourvenec), эксперт в области морской геотехнической инженерии, объясняет, как инновации в креплении конструкций к морскому дну могут стать решающим фактором в достижении глобальных климатических целей.
🌍 Энергетический пазл: почему ветра недостаточно 0:12
Современный мир сталкивается с беспрецедентным ускорением глобального потепления, вызванным антропогенными выбросами парниковых газов. По данным Сьюзан Гурвенек, производство энергии из ископаемого топлива ответственно за 75% всех выбросов парниковых газов и за 92% выбросов углекислого газа . Несмотря на развитие технологий, текущий мировой энергетический баланс на 80% зависит от угля, нефти и газа .
Ситуация осложняется резким неравенством в потреблении:
- Средний американец за месяц потребляет столько же энергии, сколько средний житель Индии за целый год .
- Британец потребляет вдвое больше энергии, чем житель Бразилии .
- Топ-10 стран-эмиттеров производят около 2/3 всех мировых выбросов .
В структуре возобновляемых источников энергии лидирует гидроэнергетика (50%), за ней следует ветер (25%) и солнечная энергия (15%) . Однако Гурвенек отмечает, что гидроэнергетика сталкивается с экологическими ограничениями, такими как затопление долин и влияние засух . В этом контексте ветер представляется наиболее перспективным и масштабируемым ресурсом для декарбонизации экономики.
⚓️ Масштаб вызова: 50 000 турбин для Британии 8:12
Офшорная ветроэнергетика (установка турбин в море) развивается стремительно: с 1991 года установленная мощность выросла до 63 ГВт к концу 2022 года . Прогнозы на 2050 год предполагают установку 2000 ГВт по всему миру . Великобритания исторически была лидером в этой области, обеспечивая к 2022 году более 40% своих потребностей в электричестве за счет морского ветра .
Однако амбиции на будущее поражают масштабом:
- Цель Британии на 2030 год — 50 ГВт (всего через 6,5 лет) .
- Цель на 2050 год для полной декарбонизации и поддержки водородной экономики — до 466 ГВт .
- Это означает, что Великобритании потребуется около 50 000 офшорных турбин к 2050 году по сравнению с 3 000 установленных сейчас .
Проблема размещения такого количества конструкций стоит остро. Океан не является пустым пространством: он занят судоходными путями, зонами министерства обороны, морскими охраняемыми территориями и существующей инфраструктурой нефти и газа . Геопространственный анализ показывает, что почти половина всего доступного морского пространства Великобритании потребуется для достижения самых амбициозных энергетических целей .
🏗️ Фундаменты и анкеры: что скрыто под водой 19:03
Размер турбин постоянно растет: если в 1991 году их диаметр был невелик, то к 2030 году ожидаются установки с диаметром ротора 250 метров . Это связано с физикой: мощность пропорциональна квадрату диаметра ротора и кубу скорости ветра .
Для удержания этих гигантов используются различные типы фундаментов:
- Гравитационные: тяжелые бетонные блоки, удерживающие конструкцию за счет своего веса .
- Монопали: стальные трубы, забиваемые в дно. Это самый популярный тип (80% всех существующих офшорных ветряков) .
- Кессоны (Suction caissons): перевернутые «ведра», которые погружаются в грунт за счет создания вакуума (откачки воды изнутри) .
- Плитные анкеры: эффективные системы для плавучих турбин, зарывающиеся глубоко в грунт .
По словам Гурвенек, для Британии критически важны технологии плавучих ветряков, так как 90% доступных площадей находятся на глубине более 60 метров .
⛓️ Стальной дефицит и инновации в дизайне 27:17
Масштабное строительство требует колоссальных ресурсов. По расчетам Сьюзан Гурвенек, создание анкерных систем для Великобритании к 2050 году может потребовать более 30 миллионов тонн стали . Это составит около 20% ежегодного производства стали в стране на протяжении десятилетий, что создаст огромную нагрузку на цепочки поставок, учитывая конкуренцию с автомобильной и строительной отраслями .
Чтобы снизить потребление материалов, ученые предлагают несколько подходов:
- Использование общих анкеров: один анкер может удерживать сразу три соседние плавучие платформы (система «сот») .
- Устройства снижения нагрузки (LRD): эластичные вставки в швартовных линиях, которые снижают пиковые нагрузки на анкер на 50% и уменьшают площадь фундамента на 70% .
- Использование искусственного интеллекта: создание суррогатных моделей на базе нейросетей позволяет оптимизировать дизайн швартовки в тысячи раз быстрее традиционных методов .
Исследования сложных нагрузок проводятся на геотехнической центрифуге. Это устройство позволяет имитировать 25 лет эксплуатации турбины всего за 24 часа, масштабируя напряжения в грунте .
💪 «Суперсилы» морского дна: как грунт становится прочнее 40:00
Одна из ключевых идей Гурвенек — концепция «целостного геотехнического проектирования» (whole life geotechnical design). Традиционно инженеры рассматривают свойства грунта как константу или учитывают только его ослабление. Однако морское дно обладает способностью к самоусилению.
Механизм «суперсилы» грунта:
- При приложении нагрузки вода в порах песка или ила временно мешает частицам плотно прилегать друг к другу .
- Со временем вода уходит, частицы переупаковываются в более плотную структуру, и грунт становится прочнее .
- Циклические нагрузки от волн и ветра заставляют грунт вокруг анкера постоянно уплотняться в течение всего срока службы (25–30 лет) .
Учет этого эффекта позволяет уменьшить размер анкера на 40%, а в сочетании с устройствами снижения нагрузки — более чем на 50% . Это означает, что из того же объема стали можно изготовить в два раза больше анкерных систем.
🤖 Роботы-черви и будущее разведки дна 48:36
Для эффективного проектирования нужно знать параметры дна на огромных площадях. Традиционные методы требуют использования огромных судов с экипажем в 40 человек и буровыми вышками, что дорого и медленно .
Сьюзан Гурвенек и её команда в University of Southampton разрабатывают автономные инструменты нового поколения:
- ROBOCONE: роботизированный зонд с подвижными элементами для измерения параметров грунта прямо на месте .
- NESSIE: установка, использующая вакуумный кессон для погружения датчиков, работающая с автономных судов без экипажа .
- GEO-IBOT: «робот-червь», который сбрасывается с небольшого катера, самостоятельно зарывается в дно, может менять направление движения и измерять прочность, жесткость и проницаемость грунта .
В будущем Гурвенек видит «рои» автономных судов, проводящих геофизическую и геотехническую разведку, а также мониторинг состояния дна после установки турбин . По её мнению, именно раскрытие «секретов» морского дна позволит человечеству эффективно использовать энергию ветра и достичь будущего с нулевыми выбросами .
