Энергия приливов и отливов

 

По назначению плотины бывают водохранилищные и водоподъёмные. Подпор уровня воды у водоподъёмных плотин невысок, целью устройства таких плотин является улучшение условий водозабора из реки, использования водной энергии и пр. Водохранилищные плотины отличаются заметно большей высотой, как следствие, большим объёмом создаваемого водохранилища. Отличительной особенностью больших водохранилищных плотин является способность регулировать сток, малые плотины, с помощью которых создают, например, пруды, сток не регулируют. Чаще всего подобное функциональное разделение плотин на водохранилищные и водоподъёмные является условным, в силу трудности определения более важной функции. Вместо этого может использоваться деление плотин по высоте подъёма воды: низконапорные (глубина воды перед плотиной до 15 м), средненапорные (15-50 м), высоконапорные (более 50 м).

 

Классификация плотин

Тип и конструкция  плотины определяются её размерами, назначением, а также природными условиями и видом основного  строительного материала. Плотины  различаются по типу основного материала, из которого они возводятся, по назначению и по условиям пропуска воды.

По  типу материала

• грунтовые
• бетонные
• металлические
• тканевые
• деревянные
• железобетонные

По  способу возведения

• насыпные
• намывные

По  условиям пропуска расхода воды

• глухие (не допускают перелива воды через гребень)
• водосбросные
• фильтрующие (пропуск воды осуществляется через тело плотины)

 

Приливно-отливное препятствие 

Приливно-отливные препятствия выглядят как большой  турникет. Они обычно устанавливаются  через каналы между небольшими островами или над проливами. Турникет крутится с помощью прибрежных течений, которые в некоторых случаях двигаются со скоростью 5–8 узлов (9-14 км/ч) и генерируют такое же количество энергии, что и ветры, дующие с гораздо большей скоростью. Так как плотность воды больше, чем плотность воздуха, то течения океана несут больше энергии, чем ветры.

 

Приливно-отливная турбина 

Приливно-отливные турбины выглядят так же, как и  ветряные турбины. Они устанавливаются  рядами под водой так же, как  ветряные турбины. Турбины функционируют лучше всего при скорости подводных течений между 3.6 и 4.9 узлов (6.5 и 8 км/ч). При течении с такой скоростью турбина диаметром 15 м может генерировать энергию, равную энергии, генерируемой ветровой турбиной диаметром 60 м. Идеальное размещение для приливно-отливных турбин – близко к берегу на глубине 20–30 м.

 

Приливно-отливные электростанции, ставящие плотины могут  нарушить миграцию морских животных, а наносы за ними могут повлиять на местные экосистемы. Приливно-отливные препятствия также могут помешать передвижению морских животных. Новейшие приливно-отливные турбины скорее всего наносят наименьший вред окружающей среде, так как они не мешают морским животным.

Эксплуатация  приливно-отливных электростанций не требует больших расходов, но их дорого строить и инвестиции возвращаются недостаточно быстро. Соответственно, стоимость киловатт-часа не составляет конкуренцию обычным электростанциям на ископаемом топливе.

 

 

 

 

3. Использование ПЭС

 

Несоизмеримо  более мощным источником водных потоков  являются приливы и отливы. Подсчитано, что потенциально приливы и отливы могут дать человечеству примерно 70 млн. миллиардов киловатт-часов в год. Для сравнения: это примерно столько же, сколько способны дать разведанные запасы каменного и бурого угля, вместе взятые; вся экономика США 1977 г. базировалась на производстве 200 млрд. киловатт-часов, вся экономика СССР того же года – на 1150 млрд., хрущевский “коммунизм” к 1980 г. должен был быть построен на 3000 млрд. киловатт-часов. Образно говоря, одни только приливы могли бы обеспечить процветание на Земле тридцати тысяч современных “Америк” при максимально эффективном использовании приливов и отливов, но до этого пока далеко. Проекты приливных гидроэлектростанций детально разработаны в инженерном отношении, экспериментально опробованы в нескольких странах, в том числе и у нас, на Кольском полуострове. Продумана даже стратегия оптимальной эксплуатации ПЭС: накапливать воду в водохранилище за плотиной во время приливов и расходовать ее на производство электроэнергии, когда наступает “пик потребления” в единых энергосистемах, ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции.

 

 

Первая приливная  электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье  реки Ранс, впадающей в пролив Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8.4 м. Открывая станцию, президент Франции Шарль де Голль назвал ее выдающимся сооружением века. Несмотря на высокую стоимость строительства, которая почти в 2.5 раза превосходит расходы на возведение речной ГЭС такой же мощности, первый опыт экплуатации приливной ГЭС оказался экономически оправданным. ПЭС на реке Ранс входит в энергосистему Франции и эффективно используется.

 

Существуют  проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный энергетический потенциал Охотского моря, где местами, например в Пенжинской губе, высота приливов достигает 12.9 м, а в Гижигинской губе - 12-14 м.

 

Принцип работы приливной гидроэлектростанции простой. В заливе, где наблюдаются более или менее значительные приливы и отливы, строится плотина, отделяющая часть залива от океана. Во время прилива или отлива образуется разность уровней воды между океаном и отделенной частью залива. Вода по специальному каналу устремляется сквозь плотину сверху вниз и приводит в движение установленные там турбины. Для неё лишь требуется довольно обширная приморская территория, на которой располагается водозаборный бассейн, он должен находиться выше среднего уровня моря. В период прилива открываются клапаны приливной электростанции, и бассейн наполняется водой. Затем клапаны закрываются. В тот момент, когда уровень воды падает до наименьшей отметки, открываются спускные клапаны, и вода, которая оказалась на несколько метров выше, под действием силы тяжести устремляется вниз, попутно вращая турбины приливной электростанции.

Естественные  движения воды в мировом океане, имеют гигантскую кинетическую энергию, не преобразовывать которую в электричество – очень глупо. Это понимают многие, и именно они выступали инициаторами строительства приливных электростанций, первые из которых были построены еще в середине ХХ века. Основная причина, по которой такие станции еще не захватили первые позиции в мировой энергетике, является их дороговизна. Люди не понимают, что вкладываясь в энергетику приливов, они осуществляют долгосрочные инвестиции, которые начнут окупать себя только через десятилетия. Конечно же, срок нишей жизни слишком короток, да и вообще – никогда не знаешь, когда она может закончиться. Поэтому, вполне логично, что частные инвесторы не очень-то горят желанием строить подобные сооружения, чтобы получать с них прибыть в отдаленном будущем. Намного легче закупить, относительно — дешевые нефть, газ или уголь, сжечь их, и получить моментальную прибыль. Именно эта, кажущаяся простота и выступает главной движущей силой традиционной энергетики, а заодно и тормозит энергетику альтернативную.

 

Сейчас разрабатывается  проект Мезенской ПЭС, которая будет  давать целых 4000 мегаватт энергии. Кроме того, планируется еще соорудить несколько станций на Охотском море, где высота прилива может достигать почти 13 метров. А такое изобретение, как – геликоидная турбина Горлова, позволяет сооружать ПЭС, без создания плотины, это значительно снизит затраты на производство.

 

Для использования  приливов и отливов в устье  реки строят дамбу с целью создания искусственного озера. Когда море поднимается, озеро наполняется, а когда опускается, оно осушается. Поток воды в озеро  и из него используется для приведения в движение генераторного механизма, производящего электричество.

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Выгодность энергии прилива

 

Мировая энергетика располагает  позитивным опытом эксплуатации приливных  электростанций. Ведь принцип работы ПЭС во многом схож с гидростанциями. Однако для их работы не требуется создания водохранилищ – плотины, внутри которых устанавливаются турбины, строятся на входах в заливы морей и океанов. От гидростанций приливные отличает и низкий напор, вследствие чего турбины ПЭС имеют особую конструкцию.

В СССР экспериментами в  области приливной энергетики занимался  академик Лев Бернштейн. Под его  руководством в 1968 году на побережье  Баренцева моря в Кислой губе была построена экспериментальная приливная  станция мощностью 400 кВт. Это была вторая приливная станция в мире – после французской Ля Ранс. Всего в мире существует не более 10 приливных станций, хотя самая крупная из них – Ля Ранс – с установленной мощностью в 240 МВт. Французская ПЭС находится в устье реки Ранс в области Бретань и сооружена в 1966 году. Перепад высот прилива и отлива составляет от 12 до 18 метров. Работают 24 турбины, которые действуют в среднем 2200 часов в год. Но в мире не так уж много мест, где было бы возможно строить ПЭС. Для постройки такого объекта перепад высот приливов и отливов должен составлять не менее пяти метров.

По сравнению с обычной  ГЭС ПЭС имеет ряд преимуществ. Помимо отсутствия необходимости создания водохранилища выработка ПЭС  не зависит от водности года. Приливы  и отливы, сменяя друг друга, имеют постоянную для каждого месяца энергию. Привлекательны приливные электростанции и тем, что капитальные вложения на их строительство не превышают расходов на сооружение гидроэлектростанций.

Конечно, мощность ПЭС зависит  от силы волны. На атлантическом побережье на каждый метр прибрежной линии приходится 70 кВт волновой мощности. Эти параметры измерены на побережьях Ирландии, Исландии, Норвегии. В Испании и Португалии мощность волны достигает 50 кВт, а в районе Гибралтара уже только 30 кВт. На североморском побережье Германии она составляет 20 кВт. В самом Старом Свете пока известны всего 100 с лишним мест, где можно получать электроэнергию из морских течений. Согласно первым предварительным научным исследованиям, потенциал ПЭС в Европе может составить 12 000 МВт.

Российская школа, занимающаяся проблемами ПЭС, насчитывает шесть  десятилетий. Так, выполненный на Охотском море проект Пенжинской ПЭС мощностью 87 ГВт может поставлять энергию  в районы Юго-Восточной Азии, испытывающие дефицит в энергии. На Белом море проектируется Мезенская ПЭС, энергию которой предполагается направлять в Западную Европу по объединенной энергосистеме «Восток–Запад». Приливная электростанция в Тугурском заливе на севере Хабаровского края, по мнению главы РАО «ЕЭС России» Анатолия Чубайса, может стать мощнейшей станцией с параметрами, которых в мире не существует. Ведь в Тугурском заливе «самые высокие в стране возможности по уровню морских приливов, достигающих более 15 метров».

 

Главными препятствиями  широкого развития приливной энергетики в мире являются конструкция турбины и стоимость строительства ПЭС. Турбины, рассчитанные на работу в двух направлениях (прилив и отлив), оказались технически сложными и чрезвычайно дорогостоящими в производстве. Сам процесс строительства ПЭС – на воде, вдали от берегов – также оказался весьма затратным.

Российским ученым и инженерам  ОАО «ГидроОГК» удалось создать  эффективную (названную ортогональной) турбину, особенность которой состоит  в том, что во время приливов и  отливов направление ее вращения не меняется. Это позволило радикально упростить конструкцию турбины и, как следствие, снизить ее стоимость. Экспериментальный образец ортогональной турбины диаметром 2,5 метра был изготовлен в конце 2004 года на заводе «Севмаш». В течение 2005–2006 годов проходили его систематические испытания. Результаты испытаний показали высокую эффективность ортогональной турбины – КПД составил порядка 63%, что в полтора раза выше, чем у зарубежных аналогов.

Еще одно российское ноу-хау  – наплавной метод строительства  приливных станций, при котором все самые сложные работы по сборке агрегатов выполняются в промышленных центрах, а готовые наплавные блоки буксируются по воде к месту установки. Впервые он был применен при строительстве Кислогубской ПЭС. Наплавной способ строительства позволяет на 30–40% снизить стоимость работ.

В 2006 году по заказу ОАО «ГидроОГК» на заводе «Севмаш» был изготовлен экспериментальный модуль-блок приливной  станции с ортогональным гидроагрегатом мощностью 1,5 МВт. В начале текущего года он был отбуксирован в Кислую Губу и установлен в проектное положение в створе Кислогубской ПЭС. Как рассказал представитель «ГидроОГК» Андрей Петрушинин, сейчас проходят испытания этого блока в натурных условиях. В программу испытаний входят энергетические, нагрузочные и испытания в переходных процессах. Цель – подтвердить правильность принятых инженерно-технических решений по конструкциям агрегатов и наплавных блоков ПЭС, а также верность выбранных материалов. Известно, что морская среда очень агрессивна по отношению к металлу, который со временем может подвергнуться коррозии.

В «ГидроОГК» рассчитывают завершить испытания экспериментального модуль-блока к январю 2008 года. «Сейчас  для нас главное, чтобы оправдались  все наши технические решения  и выбор материалов, – рассказывает Петрушинин. – В настоящее время у компании уже есть несколько проектов строительства приливных станций. Самые мощные из них – до 3–4 ГВт каждая – проектируется в Мезенском заливе Архангельской области и в Тугурском заливе Хабаровского края. Но до того, как приступить к реализации этих мегапроектов, нам необходимо будет отработать технологию строительства современных ПЭС на менее мощных станциях в 100–200 МВт».