Альтернативная энергетика: энергия приливов и отливов
Как работает приливная электростанция
Колоссальная мощь и масштабы морских приливов и отливов привлекала человечество ещё в древности. Первые известные попытки использования приливной энергии были зафиксированы в десятом веке, когда люди начали возводить бассейны с затворами для задержки поступившей воды.
На территориях Англии и Франции на плотинах бассейнов строились водяные мельницы, приводившие в движение жернова, оборудование для распила древесины или же выполнявшие роль насосов в системах городского водоснабжения. Резервуары наполнялись при поступлении воды и опустошались по мере её убывания во время отлива, приводя в движение мельничные колёса.
Прошли столетия, однако принцип полезного использования силы приливов, взятый на вооружение в древности, практически не изменился — его стали применять на электростанциях в наше время. В роли «мельниц» на станциях выступают гидроагрегаты, которые выполняют функции генераторов и насосов.
Станции, которые вырабатывают энергию из приливов и отливов, используя в своей работе кинетическую энергию земного вращения, считаются одним из видов гидроэнергетических объектов, как и ГЭС. Приливные электростанции (ПЭС), таким образом, извлекают энергию из возобновляемых источников, то есть входят в сферу альтернативной энергетики.
Устройство ПЭС может отличаться в зависимости от конкретного проекта. Классические проекты станций предусматривают наличие плотин и накопительных бассейнов. Может применяться подкачка воды при помощи насосных систем с применением обратимых агрегатов. Подкачка осуществляется для подачи воды во время отсутствия приливной волны с целью обеспечения бесперебойной работы станции. ПЭС, оборудованные такими системами, получили название гидроаккумулирующих.
Классическая схема станции бассейнового типа может работать по одностороннему или по двухстороннему принципу. Первый предполагает полезную работу при движении воды лишь в одном направлении — при наполнении или опорожнении бассейна. Выработка электроэнергии при опустошении резервуара считается более эффективной.
На станциях с двухсторонними схемами турбины работают в обоих направлениях движения воды. Производство электроэнергии стартует в момент начала прилива, когда створы глухой плотины перекрываются. После того как напор воды достигает необходимой силы, включаются турбогенераторы и бассейн наполняется за счёт поступления воды из морской акватории.
После минимизации разницы уровней воды в море и в бассейне турбины прекращают работу, затворы открываются. Уровни в море и в бассейне становятся одинаковыми и затворы вновь переводят в закрытое положение. По мере отлива разница уровней становится значительной, вода из бассейна начинает приводит в действие турбины, после чего бассейн постепенно опорожняется. Станции такого типа производят энергию непрерывно в течение 4–5 часов четырежды в сутки. Перерывы между периодами работы составляют не более 2 часов.
Проекты могут предусматривать установку не одного, а двух или трёх бассейнов с целью наращивания временного интервала полезной работы, одна стоимость реализации таких задумок достаточно высока. Оптимальный классический проект станции — это оснащение объекта одним бассейном при работе турбин в двухстороннем режиме с насосной подкачкой воды.
Такие ПЭС более всего востребованы в энергосистемах с избытком выработки в провальных точках графика электроснабжения. Обратимые агрегаты обеспечивают подкачку воды в бассейн в период минимального потребления, что позволяет нарастить показатель генерации при отливе путём задействования дополнительного напора и объёма воды.
Альтернативный вариант ПЭС предусматривает установку турбин прямо на морском дне. Такая схема не предполагает наличия плотин и бассейнов. Вращение лопастей турбин осуществляется непосредственно под воздействием движения воды во время приливов и отливов.
Первая крупная станция, которая работает по такому принципу, запущена в Ирландии. ПЭС SeaGen мощностью 1,2 МВт построена в районе залива Странгфорд-Лох (Ирландское море). Пронедра писали ранее, что в Уэльсе была построена аналогичная по принципу действия станция DeltaStream. Небольшая станция с придонными турбинами была запущена и норвежским оператором Hammerfest Strøm. ПЭС обеспечивает электроэнергией до двух десятков домов, расположенных в городе Хаммерфесте.
Норвежцы не останавливаются на достигнутом — компания Statkraft разработала и в морской акватории у города Квалсюндет уже проводит испытания генератора, представляющего собой якорную конструкцию плавающего типа, которая устанавливается под водой. Оснащённая четырьмя турбинами, конструкция приводится в действие приливной силой, поднимающей и опускающей генерирующий блок.
Ключевые преимущества энергетики приливов
В чём заключается привлекательность приливной энергетики? В первую очередь, это её несравнимые преимущества перед другими способами выработки энергии. Основными факторами, которые выгодно выделяют приливные электростанции от большинства традиционных генерирующих объектов, являются фактическая неисчерпаемость источников — приливов и отливов, а также отсутствие необходимости добычи топлива. ПЭС имеют преимущество и перед гидроэлектростанциями, поскольку не зависят от показателя водности года — процессы приливов и отливов не привязаны к сезонности и неизменны круглый год.
Стабильность выработки электроэнергии на ПЭС позволяет добиваться устойчивой работы таких станций как при текущих нагрузках, так и в пиковые моменты. Приливные станции гарантируют нормальную работу энергосистем с постоянной месячной генерацией. При этом следует учитывать и достаточно высокий КПД объектов приливной энергетики, достигающий уровня в 80%. Для сравнения, другие виды станций, которые работают на возобновляемых источниках, демонстрируют значительно худшие показатели. Так, КПД ветрогенераторов составляет 30%, солнечных панелей — до 35%.
Немаловажной является финансовая сторона проектов. Опыт использования имеющихся ПЭС позволяет специалистам утверждать, что себестоимость вырабатываемой такими объектами энергии является самой низкой в объединённых энергосистемах в сравнении с показателями других типов электростанций. С финансовой точки зрения запуск ПЭС не более затратен для инвесторов, чем реализация проектов ГЭС ещё на этапах строительства.
К примеру, при проектировании российских Тугурской и Мезенской станций было подсчитано, что при условии применения нового оборудования и эффективных технологических решений, в том числе наплавных способов строительства и внедрения ортогональных гидроагрегатов, объём капитальных затрат на возведение ПЭС равнозначен сумме расходов на строительство гидроэлектростанций.
Тем не менее, стоимость возведения ПЭС достаточно велика для того, чтобы утверждать, что запуск новых генерирующих объектов может показаться однозначно привлекательным для инвесторов. Кроме того, отталкивающим фактором для потенциальных участников проектов являются особенности строительства приливных станций, обуславливающие крупные финансовые вложения уже на первых этапах работы.
Воздействие на окружающую среду
Одним из главных преимуществ ПЭС является их практически нулевое воздействие на окружающую природу. Приливные электростанции, как и другие генерирующие мощности на возобновляемых источниках энергии, являются экологически чистыми объектами. В отличие от ТЭС, они не выбрасывают в атмосферный воздух продукты горения и парниковые газы, работа ПЭС не ведёт к тепловому загрязнению воздуха. Генерация на объектах, работающих на приливах и отливах, в отличие от атомных станций, не требует утилизации топлива и не несёт угрозы радиоактивного заражения.
Объекты гидроэнергетики, в свою очередь, уступают ПЭС по критерию безопасности эксплуатации, поскольку в случаях прорыва плотин ГЭС происходит затопление территорий. Такого фактора риска не существует для приливных станций. Ввиду высокой степени безопасности эксплуатации ПЭС не несут угрозы для населения и окружающей среды вследствие возможных разрушений в результате природных катастроф или военных действий в регионе.
Морская фауна, за исключением небольшой части планктона, не страдает при работе приливных станций, поскольку плотины ПЭС полностью проницаемы для живых организмов, обитающих в акватории. Рыба попросту проходит через подводную инфраструктуру станции невредимой, что подтвердилось в ходе наблюдений за последствиями работы Кислогубской ПЭС. Специалисты Полярного научно-исследовательского института морского рыбного хозяйства и океанографии имени Н. М. Книповича не обнаружили ни погибшей, ни травмированной рыбы в районе станции.
Хотя эксплуатация ПЭС приводит к гибели до 10% планктона, попавшего в используемые станцией воды, данный показатель значительно ниже ущерба, наносимого этой группе биологических организмов в результате работы ГЭС, в сооружениях которой уничтожается до 99% планктона.
Есть и альтернативные мнения — отдельные эксперты утверждают, что морской фауне наносится значительный вред как на этапе строительства, так и в процессе эксплуатации приливных станций. Утверждается, в частности, что работа ПЭС приводит к нарушению обмена пресной и солёной воды в акватории и ухудшает таким образом условия жизни морских организмов. Практические проверки, однако, не подтверждают данное предположение — экологическое состояние льда и морской фауны, зависящее в том числе от степени солёности воды, не изменяется, поскольку колебания последнего параметра составляет максимум 0,07%, что является ничтожным уровнем.
Научный мир раскритиковал и мнение о том, что работа станций, извлекающих энергию из приливов, приводит к снижению скорости вращения Земли и, как следствие, к негативных экологическим эффектам. Эксперты отмечают, что кинетическая энергия вращения планеты достигает колоссальных отметок. Если учитывать вмешательство в процесс вращения планеты станций с совокупной мощностью в 1 тыс. ГВт, то расчётная длительность суток вырастает на практически незаметную величину, меньшую на девять порядков, чем степень влияния природного воздействия приливов.
По ряду критериев работа приливных станций не только не вредит, но и в какой-то мере способствует улучшению условий проживания и хозяйственной деятельности в регионе. Результаты исследования воздействия ПЭС La Rance на окружающую среду свидетельствуют о том, что станция фактически защищает береговую линию от влияния штормов. В акватории исчезают торосы, вследствие чего нажимное воздействие льда на береговую инфраструктуру нивелируется, в целом ледовый режим значительно смягчается. Выравниваются и климатические условия в целом в районе расположения объекта, смена погоды становится не столь резкой.
Что касается негативного эффекта от строительства станций, то такой фактор, несомненно, имеет место, как и при возведении любого крупного и сложного инфраструктурного объекта. В то же время, строительство ПЭС осуществляется с применением наплавной технологии. Это даёт возможность не обустраивать крупные временные базы для проведения строительных работ. Имеющиеся следы воздействия на окружающую среду — размыв дна и изменение схемы движения наносов — исчезают уже через два года после окончания строительства ПЭС.
Что препятствует развитию приливной энергетики
Несмотря на очевидные плюсы приливной генерации, данный вид энергетики сталкивается с серьёзными препятствиями и ограничениями, что не даёт возможности бурному развитию отрасли. Стабильное генерирование энергии путём использования силы приливов и отливов стало возможным благодаря тому, что данное природное явление не только является постоянным, но и имеет чёткий периодический характер. С этим связаны не только преимущества, но и определённые ограничения, присущие энергетике приливов в силу чисто природных факторов.
Так, поступление дополнительных объёмов воды из морской акватории осуществляется под влиянием силы притяжения Солнца и Луны. Чередование приливов и отливов происходит в идеальных условиях каждые шесть часов двенадцать минут. Увеличение силы прилива возможно в том случае, если Солнце, Луна и Земля выстраиваются в одну линию — лунное влияние на движение воды усиливается солнечным. В остальных случаях следует говорить о слабых приливах. Они чередуются с сильными каждые семь суток.
Электростанции работают на полную мощность лишь во время приливов — два раза в сутки, при этом продолжительность выработки составляет только несколько часов. Во всё остальное время используются сторонние источники или же аккумуляторы. К сожалению, цикличность приливов не совпадает по времени с пиками суточных нагрузок энергетических систем регионов.
С этим фактором связано ещё одно ограничение работы ПЭС — они эффективны лишь при совместной эксплуатации с другими АЭС, ГЭС или ТЭС, выработка которых компенсирует прерывистость генерации приливных станций. К примеру, в периоды максимальной выдачи мощности ПЭС снижают выработку гидроэлектростанции. В свою очередь, в режиме подкачки воды гидроаккумулирующие ПЭС используют излишки энергии, поступающие от АЭС и ТЭС.
С характеристиками приливов связан не только режим работы станций, но и выбор места их возведения. На силу и стабильность приливов влияют и наземные факторы, а не только лишь поведение космических объектов. Показатели приливов зависят от типа береговой линии, морских течений и глубины. Как правило, самые сильные приливы с высокой волной возникают в мелководных узких заливах или же в речных устьях в местах их впадения в океаны и моря.
Возведение станции мощностью минимум 2 МВт возможно лишь в точках, где береговые контуры и ландшафт позволяют обустроить бассейны замкнутого типа, а приливы имеют большую амплитуду. Мощные ПЭС требуют поступления больших количеств воды, но приливные показатели в разных местах могут значительно отличаться в зависимости от рельефа местности. Колебания уровня воды могут составлять от 0,3 метра вплоть до 15 метров. Строительство станций является целесообразным только при колебаниях уровня моря не менее 4 метров.
Кроме того, в районах возведения ПЭС невозможна навигация судов, поскольку ей будет препятствовать большой размах лопастей придонных турбин станций. В силу упомянутых выше условий число мест, пригодных для строительства рентабельных приливных электростанций, изначально ограничено. Комфортные районы для реализации проектов приливной энергетики по большей части расположены в Великобритании, Франции, Канаде, Мексике, Китае, Аргентине и в России.
Немаловажным фактором, сдерживающим активное развитие приливной энергетики, являются трудности экономического характера. Многие государства попросту не располагают мощностями для того, чтобы создавать крупные энергетические системы, включающие ПЭС. Последние рентабельны лишь при условии большой установленной мощности, для чего, естественно, требуются крупные промышленные потребители энергии. Такие трудности для стран, которые неспособны самостоятельно построить и запустить приливные электростанции, могут быть преодолены совместно на межгосударственном уровне, в формате долевого участия операторов объединённых энергосистем.
Реальное состояние и перспективы отрасли
Несмотря на существующие технические и финансовые трудности, связанные со строительством приливных станций, во всём мире уже готовы к реализации порядка трёх сотен проектов возведения ПЭС. Тем не менее, темпы развития отрасли не внушают оптимизма — сейчас фактически насчитывается не более десятка работающих станций, хотя данная сфера энергетики существует уже более ста лет.
Люди начали получать электроэнергию из движения приливов ещё в начале 20-го века. Первая приливная станция появилась в Ливерпуле (Великобритания) в 1913 году. Её мощность, по современным меркам, была невелика — 635 кВт, однако следует учитывать, что на том историческом этапе степень развития электроэнергетики была ещё невысока.
Первой из крупных построенных приливных станций является французская La Rance в регионе Северная Бретань, возведённая в 1967 году. Мощность ПЭС достигает 240 МВт. Длина плотины станции имеет рекордное значение — 800 метров. К настоящему времени самой мощной в мире можно считать южнокорейскую ПЭС, расположенную на озере Сихва. Её мощность достигла отметки в 254 МВт. В планах энергетиков разных стран мира — строительство станций более высокой мощности. Так, в Великобритании собрались реализовать проект ПЭС мощностью 8,6 ГВт, в Канаде — построят две станции (4 ГВт и 1,15 ГВт), в Индии появится станция в 7,4 ГВт. Напомним, активное внедрение приливных станций стартовало в Японии.
Не лучшая ситуация, связанная с недостаточным развитием отрасли приливной энергетики, сложилась в России. Хотя разработки проектов велись в РФ ещё во времена её нахождения в составе СССР и не прекращаются в течение шести десятков лет, к настоящему времени в стране построена и функционирует только одна станция — на Кислой губе (побережье Баренцева моря, посёлок Ура-Губа, 90 километров от Мурманска). Мощность Кислогубской ПЭС составляет 1,7 МВт. ПЭС входит в каскад Туломских ГЭС. Объект был возведён в 1968 году с экспериментальными целями.
Во время возведения станции была впервые в России апробирована технология наплавного строительства. Её внедрение позволяет снизить на 30% капитальные затраты при реализации проектов не только комплексов приливных станций, но и любых других гидротехнических сооружений. Сейчас электростанция является по сути испытательным комплексом Научно-исследовательского института энергетических сооружений. Также на её территории располагается база Полярного института океанологии и рыбного хозяйства и Мурманская гидрометеостанция.
Основные исследовательские работы на станции проводятся в направлении опробования новых технологий строительства и эксплуатации ПЭС. Тестируются не только материалы и конструкции, которые будут использованы при строительстве станций, но и непосредственно оборудование, планируемое к установке на новых генерирующих объектах. Проверяется в том числе и работа энергетического оборудования в условиях Крайнего Севера, как на побережье, так и в шельфовой зоне. К данной работе привлечена федеральная компания «ГидроОГК», на которую возложена реализация проектов новых ПЭС в регионах страны.
В планах предприятия, рассчитанных на ближайшие несколько лет, — строительство нескольких приливных электростанций. Одну из них — Тугурскую — планируется возвести в одноимённом заливе Охотского моря, на территории Хабаровского края. Мощность станции, строительство которой стартует уже к 2020 году, составит 3,6–8,0 ГВт.
На Охотском море появится ещё одна приливная станция — Пенжинская, мощность которой будет гораздо выше и достигнет 87 ГВт. Если проект будет реализован, Пенжинская ПЭС станет самой мощной приливной станцией в мире. Предполагается, что вырабатываемая станцией энергия будет подаваться в регионы Дальнего Востока и Юго-Восточной Азии, которым характерны перебои с электроснабжением.
Если все анонсированные проекты «ГидроОГК» будут реализованы, то на Кольском полуострове, омываемом Белым морем, появится Мезенская приливная электростанция, мощность которой составит 8–11,4 ГВт. Строительство начнётся ориентировочно в 2020 году. Генерируемая энергия будет поставляться западноевропейским потребителям, а также в регионы европейской части России. Ожидается, что вырабатываемая Мезенской ПЭС энергия позволит заместить часть газа, используемого на ТЭС. Кроме того, на стадии проектирования находится Северная ПЭС мощностью 12 МВт, которую также разместят на территории Кольского полуострова.
Генерирующий потенциал приливной энергетики необычайно высок. По оценкам экспертов, использование силы приливов и отливов даст возможность выработки в год от 200 до 450 ТВт электроэнергии. Для сравнения — в России годовая выработка на объектах малой гидроэнергетики колеблется в пределах 200 ТВт. По оптимистичным прогнозам, использование всего потенциала приливных явлений позволит удовлетворить четверть объёма потребностей России в электроэнергии.
Если же говорить о мировых масштабах, то, по расчётам специалистов, перспективы развития приливной энергетики выглядят фантастическими — строительство и запуск станций во всех точках, где это возможно, даст такое количество энергии, которое превысит потребности человечества в пять тысяч раз и превзойдёт потенциал всех оставшихся запасов углеводородного сырья планеты.
Реализация проектов приливных станций как в России, так и во всём мире, является достаточно многообещающим направлением в энергетике. Приливные станции, сопоставимые по стоимости строительства и показателям работы с обычными ГЭС, в отличие от последних, безопасны в эксплуатации и независимы от сезонных природных явлений.
В сравнении же с остальными видами станций они имеют ещё больший ряд неоспоримых преимуществ и при этом характеризуются высокой мощностью генерации. Приливные станции — один из самых привлекательных векторов развития гидроэнергетической отрасли, который не просто имеет право на жизнь, но и, вероятно, со временем приведёт к созданию одного из основных энергетических кластеров будущего.
