На гребне волны: как работает приливная энергетика

Пока единственная в России приливная электростанция — Кислогубская ПЭС (Фото blog.rushydro.ru)

Долгие века наши предки размышляли о специфике и происхождении приливов и отливов в океане, пытаясь направить это природное явление на пользу человечеству. Сейчас нам уже известно, что периодическое поднятие и опускание поверхности моря или океана происходит под воздействием силы гравитации Луны и Солнца. Два раза в сутки притяжение этих небесных светил заставляет частицы морской воды совершать вертикальные и горизонтальные движения, в итоге чего образуется прилив и отлив.

Еще в средние века люди определили, что это природное явление может стать мощным генератором энергии. Так, в старинных хрониках тысячелетней давности упоминается об использовании механизмов, которые приводились в действие силой приливов и отливов, ими были приливные мельницы. Записи Лудбриджского прихода 1170 года говорят о том, что такая мельница работала на Британских островах. Ими пользовались в различных уголках на побережьях средневековой Западной Европы. В России первое упоминание о подобных мельницах датируется 17 веком. Середина прошлого столетия отмечена большим интересом человечества к технологиям преобразования приливной энергии в электрическую. А в сегодняшние дни эта тема приобрела особую актуальность.

Мировые потребности в электроэнергии увеличиваются огромными темпами. Запасы угля, нефти и газа в соответствии с этими потребностями уменьшаются в геометрической прогрессии. А эти ресурсы, как мы знаем, имеют свойство заканчиваться. Легкодоступные месторождения сырья в своем большинстве уже отработаны. Разработка «сложных» мест неизбежно влечет за собой удорожание продукции. Общая тенденция такова, что исчерпаемых источников энергии совсем скоро на нашей планете не станет вообще. А современные экологические проблемы (парниковый эффект, сжигание лесов, ухудшение здоровья людей ) ставят под вопрос использование оставшихся. Человечество остро нуждается в альтернативных источниках энергии, таких как солнце, ветер, вода, в том числе приливы и отливы.

Мировой океан занимает две трети земной поверхности, соответственно, и запас энергии в нем колоссален. Эксперты Greenpeace подсчитали, что этот ресурс превышает сегодняшние потребности человечества в электроэнергии в 5000 раз. Цифры говорят о том, что энергия приливов и отливов может дать людям 70 млн. млрд. кВт/ч в год. Столько же энергии дадут все разведанные запасы бурого и каменного угля. Прогнозы специалистов на сегодняшний день таковы, что к 2050 году приливная энергетика сможет обеспечить 5% мирового энергопотребления.

Россия обладает большим потенциалом для строительства и получения энергии приливных станций. Ученые выяснили, что только прибрежные части Дальнего Востока дадут более 120 ГВт мощности. Но, тем не менее, возможности приливной энергетики, как в России, так и во всем мире развиты очень слабо. Чтобы разобраться в данной ситуации, давайте сначала выясним, что представляют собой приливные электростанции (ПЭС), каков принцип их работы и в чем основные плюсы и минусы их использования.

Турбина на Кислогубской ПЭС (Фото blog.rushydro.ru)

Итак, ПЭС – вид гидроэлектростанции, работающий на энергии приливов, т.е. кинетической энергии вращения Земли. Такие станции располагаются на побережьях, где уровень воды во время приливов и отливов характеризуется максимальным перепадом. По подсчетам ученых, чтобы станция работала эффективно, перепад должен быть больше четырех метров. Отличное место для строительства ПЭС — неширокий морской залив, который отделяется от океана плотиной, оснащенной водопропускными отверстиями и гидротурбинами. Выработка электроэнергии во время прилива и отлива происходит при перемещении воды через гидроагрегаты станции в залив и обратно.

Иными словами, прилив и отлив образуют с разных сторон плотины перепад уровня воды, которая в свою очередь с более высокого уровня стремится попасть в нижний, тем самым, приводя в действие реверсивные турбины, которые вращаются то в одну, то в другую стороны. Энергия при такой работе производится и во время прилива, и во время отлива. В промежуток между ними движение агрегатов станции останавливается. Для того, чтобы решить вопрос с вынужденными перебоями в работе ПЭС было предложено связать ее с тепловой или атомной электростанцией, которые во время паузы возьмут на себя нагрузку.

ПЭС «Ля Ранс» во Франции

Огромный плюс приливной энергии в том, что она не может иссякнуть, потому что генерируется космической силой гравитации. ПЭС, которая построена один раз, может бесперебойно выдавать энергию тысячи лет. Нарушить ее деятельность могут только геологическая катастрофа, по причине которой вероятно изменение уровня моря или же космическая катастрофа, изменившая взаимодействие сил тяготения солнечной системы. Еще одно большое преимущество ПЭС по сравнению с другими источниками энергии в том, что они не оказывают вредного воздействия на человека:

— вредные выбросы и радиационная опасность отсутствуют;

— в ходе воздействия на ПЭС природных катаклизм и социальных потрясений (наводнения, ураганы, войны) нет угрозы для населения в прилегающих к станции районах.

Помимо этого приливные электростанции экологически безопасны:

— их конструкция биологически проницаема, рыба через плотину передвигается почти без всякого препятствия;

— гибнущий планктон составляет 5-10%, в то время как на ГЭС эта цифра составляет 83-99%;

— снижение солености воды бассейна ПЭС, которая определяет экологическое состояние морской фауны и льда 0,05 – 0,07%, что совершенно несущественно;

— размывание дна стабилизируется во время первых двух лет работы;

— нет выброса вредных газов, радиоактивных и тепловых отходов, не требуется транспортировка, переработка, сжигание и захоронение топлива, не сжигается кислород воздуха, не происходит затопление территорий.

Очевидна и экономическая выгода в использовании ПЭС:

– их электроэнергия самая дешевая в энергетической системе;

— они не занимают участки земли, так как полностью располагаются в морской акватории;

— использование ПЭС возможно с другими типами энергосистем.

Но, несмотря на такие существенные плюсы, минусы в сфере строительства и использования данных станций тоже не менее весомы:

— стоимость строительства ПЭС в 2,5 раза больше стоимости ГЭС с аналогичной выработкой энергии;

— возможность постройки ПЭС только на берегу моря или океана. В случае отдаленного ее нахождения от крупного центра использования энергии, нужны будут дорогостоящие линии электропередач;

— специфика работы ПЭС такова, что она выдает энергию четырьмя пиками в сутки, поэтому могут потребоваться дополнительные регулирующие энергетические мощности.

Сихвинская ПЭС в Южной Корее (Фото Zogin)

Но в любом случае, в долгосрочной перспективе людям все же придется перейти на альтернативные источники энергии. Поэтому ученые всего мира сейчас усиленно работают над их усовершенствованием и удешевлением. Например, турбины ПЭС, которые во время прилива и отлива должны работать в двух направлениях – весьма сложны по конструкции и очень дороги в производстве. Российские ученые и инженеры ОАО «ГидроОГК» создали турбину, которая во время приливов и отливов не меняет направление вращения.

Так называемая ортогональная турбина отличается высокой эффективностью, ее КПД составил 63%, а это в 1,5 раза больше, чем у зарубежных аналогов. Также российские ученые решили проблему затратности строительства приливных станций. Они разработали наплавной метод, при котором самые трудоемкие работы по сборке частей выполняются в промышленных центрах, и уже после этого готовые блоки доставляются по воде к месту установки. Такой способ снижает стоимость работ на 30-40 %.

На сегодняшний день использовать энергию приливов планируют в 139 створах побережья Мирового океана. Это должно обеспечить 12% потребления энергии в мире. В России самые удобные места для строительства ПЭС с большими приливами находятся в Охотском море – Пенжинская и Тугурская губы, а также в Мезинской губе Белого моря. Ученые подсчитали, что российский потенциал приливной энергетики — 100 ГВт мощности и 250 млрд. кВтч выработки в год. В мире на данный момент работают 10 ПЭС и 20 находятся в стадии проектировки. Первая такая электростанция была построена в 1913 году около Ливерпуля. В заливе Пассамакводи в США начали возводить ПЭС в 1935 году, но не закончили по причине плохого грунта. ПЭС есть во многих странах, таких как Франция, Великобритания, Канада, Китай, Индия, США и других.

ПЭС Аннаполис в Канаде (Фото Hartmut Inerle)

Самая крупная действующая приливная электростанция Ля Ранс находится во Франции. Она построена еще в 1966 году, имеет плотину длиной 800 метров и выдает мощности в 240 МВт. В 2011 году в Южной Корее введена в работу ПЭС Сихва мощностью в 254 МВт, которая может обеспечить электроэнергией населенный пункт в 500 тыс. человек и тем самым сэкономить 860 тыс. баррелей нефти в год. Давно и успешно работают канадская ПЭС Аннаполис и российская Кислогубская ПЭС. Последняя была запущена в 1968 году в Мурманской области. На тот момент ее мощность составляла 0,4 МВт. Но в 2004-2007 годах после реконструкции и установки новых ортогональных агрегатов мощность возросла до 1,5 МВт.

В стадии проектировки находится Северная ПЭС мощностью 12 МВт. Еще в советские времена были разработаны несколько проектов, которые сегодня хотят завершить к 2020 году. Это строительство ПЭС в Мезенской губе на Белом море мощностью 11 000 МВт, Тугурском заливе Охотского моря мощностью 8000 МВт, и Пенжинской губе этого же моря мощностью 87 ГВт. Пенжинская ПЭС может стать самой мощной электростанцией в мире.

Приливная энергетика – это инновационный вид деятельности для науки и промышленности России. Без тепловой и атомной энергетики в ближайшее тысячелетие нам не обойтись. Но переход от традиционных энергетических ресурсов к альтернативным неизбежен, поэтому, чтобы его смягчить, там, где есть возможность, следует внедрять возобновляемые ресурсы. И энергетическая стратегия России предусматривает такой переход. Успешные результаты в этой области обеспечат энергетическую независимость страны и выступят как залог энергобезопасности на долгое время. Энергия приливов – это достойный альтернативный источник энергии, который может гарантировать постоянство в энергетической сфере на протяжении многолетних периодов.