1 стр. из 1

Взгляните-ка на океан, разве это не живое существо? Порою гневное, порою нежное!

Жюль Верн

---

Если Землю посещали инопланетяне, то наверняка в своих отчетах для начальства они ­написали, что большую часть поверхности третьего от Солнца крупного небесного тела занимает вода, и поэтому называть планету справедливей Океаном. Для примера: площадь одного Тихого океана превосходит площадь всех континентов, вместе взятых — почти 180 млн.км² против 150 млн. Но Мировой океан — не просто миллионы кубических километров воды, не только среда обитания вкусных и полезных для здоровья морепродуктов, это сложнейшая самоорганизующаяся система, в чем-то даже ра­зумная (сродни Солярису Станислава Лема). И обладающая гигантскими запасами энергии! Весь вопрос в том, как ее преобразовать в электричество и насколько экономически выгодной ­будет получаемая электроэнергия.

Уже сегодня экономика многих стран испытывает дефицит электроэнергии. Строительство новых тепловых электростанций требует решения ряда проблем, связанных с вредными выбросами, транспортировкой топлива, периодической профилактикой дорогостоящего оборудования и, в свете новых глобальных угроз, обеспечения безопасности.

Еще больше это относится к атомным электростанциям — после Чернобыля люди во многих странах категорически против сооружения реакторов любого типа, даже сверхнадежных. А куда девать радиоактивные отходы? Топить в прибрежных морях?
К сожалению, подобный подход, когда Океан рассматривается как свалка, в которую можно еще долго безнаказанно сбрасывать все, от фекалий до атомных подводных лодок, еще преобладает.

Но люди разумные и ответственные, помнящие, что мы взяли эту планету взаймы у наших внуков, давно предлагают извлекать энергию непосредственно из океана. Как? Давайте об этом и поговорим. Но вначале рассмотрим, что может послужить непосредственно источником энергии.

Первое, что приходит в голову — это приливы, которые происходят два раза в сутки под влиянием притяжения Луны и Солнца. Кроме них, бывают еще приливы суточные и смешанные. Максимальная амплитуда приливов наблюдается в дни новолуний и полнолуний, наименьшая — в первую и последнюю четверть Луны, причем эта разница может достигать 2,7 раз. В течение месяца сила приливов может также меняться на 40% из-за изменения расстояния между Землей и Луной.
Свой вклад в приливы вносит и Солнце, но его влияние в 2 раза меньше, чем лунное. В открытом море подъем водной поверхности во время прилива не превышает 1м. Но если на пути прилива — заливы с извилистой береговой линией, то подъем достигает совсем другого уровня. Так, в заливе Фанди на атлантическом побережье Канады вода во время прилива поднимается на ­19,6м, в устье английской реки Северн, впадающей в Бристольский залив — на ­16,3м, у Гранвиля во Франции — 14,7м, а в районе Сен-Мало — до 14м. Во внутренних морях приливы незначительны и едва достигают нескольких сантиметров, поэтому серьезного значения не имеют.

В устьях рек приливные волны распространяются вверх по течению, уменьшают его скорость и могут даже заставить реки «течь вспять». На Северной Двине действие прилива сказывается на расстоянии до ­200км от устья, на Амазонке — на расстоянии до 1400км. На некоторых реках (Северн и Трент в Англии, Сена и Орне во Франции, Амазонка в Бразилии) приливное течение создает крутую волну высотой до 5м, которая распространяется вверх по реке со скоростью 7 м/с. За первой волной может следовать несколько волн меньших размеров. По мере продвижения вверх волны постепенно ослабевают. Это природное явление называется в Англии бор, во Франции — маскаре, в Бразилии — поророка. Волны бора заходят вверх по реке на 70–80км, на Амазонке — до 300км.

При отливах на пологих берегах морей дно обнажается на несколько километров. Рыбаки Терского побережья Белого моря и полуострова Новая Шотландия в Канаде используют это обстоятельство при ловле рыбы. Перед приливом они устанавливают на пологом берегу сети, а после спада воды собирают попавшую в них рыбу. Кстати, быстрому вторжению в Нормандию войск союзников косвенно помешал отлив. Так, операция Overlord 6 июня 1944г. едва не сорвалась в самом начале. Высадка десанта на французское побережье началась во время отлива, и войскам пришлось 2–3км продвигаться по обнаженному дну под ураганным огнем. Только с третьей попытки англо-американские войска захватили береговые укрепления вермахта.

Спад уровня воды в реках при отливе происходит медленнее, чем подъем. Поэтому, когда в устье начинается отлив, на удаленных от устья участках еще может наблюдаться последействие прилива.

Очень показательно это на реке Сен-Джонс в Канаде, недалеко от места впадения в залив Фанди, которая проходит через узкое ущелье. Во время прилива ущелье задерживает движение воды вверх по реке, уровень воды выше ущелья оказывается ниже, и поэтому образуется водопад с движением воды против течения реки. При отливе же вода не успевает достаточно быстро проходить через ущелье в обратном направлении, поэтому уровень воды выше ущелья оказывается выше и образуется водопад, через который вода устремляется вниз по течению реки.

Если посмотреть в очень далекую перспективу, то наступит время, когда приливы прекратятся. Произойдет это потому, что Земля тормозится силами приливного трения, на преодоление которых тратится энергия вращения, и вращение нашей планеты замедляется, на 0,001 с за 100 лет. По законам небесной механики дальнейшее замедление вращения Земли повлечет за собой уменьшение скорости движения Луны по орбите и увеличение расстояния между Землей и Луной.

В конечном итоге период вращения Земли вокруг своей оси должен сравняться с периодом обращения Луны вокруг Земли. Это произойдет, когда период вращения Земли достигнет 55 суток. При этом прекратится суточное вращение Земли, прекратятся и приливо-отливные явления в Мировом океане. А произойдет это еще очень нескоро.

Еще в XVI–XVII вв. энергия приливов в небольших бухтах и узких проливах использовалась для приведения в действие мельниц. Но в больших масштабах энергию приливов стали использовать только в прошлом веке, возводя приливные электростанции (ПЭС), использующие перепад уровней воды, образующийся во время прилива и отлива.

Для работы ПЭС необходимо строительство достаточно объемного прибрежного резервуара, который наполняется приливной водой. Чаще всего для этого перекрывают плотиной устья рек или заливы. Во время отлива воду выпускают, и она вращает гидротурбины. Экономически целесообразно строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.

Но почему нельзя использовать энергию воды и во время прилива? Можно, и именно так работают приливные электростанции двустороннего действия: турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно. Такая ПЭС вырабатывает электроэнергию непрерывно в течение 4–5 ч с перерывами в 1–2 ч четыре раза в сутки. Для увеличения времени работы турбин существуют более сложные схемы — с двумя, тремя и большим количеством бассейнов.

Первая приливная электростанция мощностью 240 кВт была пущена в 1966г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4м. 24 гидроагрегата ПЭС вырабатывают в среднем за год 502 млн.кВт - ч электроэнергии. Для этой станции разработан приливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять три прямых и три обратных режима работы (генератор, насос и водосброс), что обеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС. По оценкам специалистов, ПЭС на реке Ранс экономически оправдана, годовые издержки эксплуатации ниже, чем на гидроэлектростанциях, и составляют 4% капитальных вложений. Электростанция входит в энергосистему Electricite de France и эффективно используется.

Стоимость энергии на ПЭС — самая низкая в энергосистеме по сравнению со стоимостью энергии на всех других типах электростанций, что доказано за 33-летнюю эксплуатацию. В 1995г. стоимость выработки 1 кВт - ч электроэнергии на приливных электростанциях составила $0,042, ГЭС — $0,052, на тепловых электростанциях — $0,079, на атомных электростанциях — $0,060.

В 1968г. на Баренцевом море, в заливе (шириной 150м и длиной 450м) Кислая Губа, вступила в строй опытно-промышленная ПЭС мощностью 400 кВт. В основном она использовалась как полигон для апробирования технологий строительства в условиях агрессивных сред (перепады температур, соленая морская вода и т.д.), но в 1994г. ее эксплуатация была прекращена. И только в прошлом году установка нового ортогонального гидроагрегата, способного работать в двустороннем режиме, вдохнула новую жизнь в станцию.

Как заявил в Мурманске председатель правления РАО «ЕЭС России» А. Чубайс после посещения электростанции, «в России есть фантастические возможности для строительства приливных электростанций!».

Ортогональная турбина — заслуга специалистов НИИЭС, которые в ­1989–2000гг. нашли оптимальные геометрические очертания турбинной камеры и лопастной системы и повысили ее КПД до 60–70% (в зависимости от диаметра турбины)! Отметим, что аналогичные работы проводились в середине 1980х гг. в Канаде и Японии, но были свернуты после того, как КПД оказался менее 40%.

Основные преимущества ортогональной турбины по сравнению с традиционными осевыми:
 - меньшая масса и стоимость агрегата (до 50% при одинаковой мощности);
 - увеличение на 40% расхода через гидроузел при холостом режиме работы турбины, что позволяет кардинально сократить размеры водосливной плотины;
 - сокращение размера здания электростанции и упрощение конструкции;
 - технологичность изготовления лопастей турбины по непрерывной технологии и сборки турбин на обычных (не турбиностроительных) машиностроительных заводах большими сериями.
 
Российскими специалистами решены также такие задачи, как защита от коррозии и биологического обрастания. В чрезвычайно суровых коррозийных условиях северных морей (скорость коррозии — до 1 мм/год, биомасса обрастания — до 5 кг/м2/год) 20-летняя эксплуатация Кислогубской ПЭС показала, что примененные строительные материалы и способы защиты конструкций и оборудования от коррозии и обрастания признаны надежными.

Интерес к строительству приливных электростанций растет. При анализе 119 перспективных створов побережья ­Мирового океана специалисты рассчитали, что потенциально возможная мощность ПЭС составляет свыше 800 млн. кВт с годовой выработкой 2 трлн. кВт - ч, то есть около 15% всего современного мирового потребления энергии.

В настоящее время уже действует больше десятка ПЭС. Это уже упомянутая станция Ранс во Франции (мощность — 240 кВт), Кислогубская ПЭС (400 кВт), канадская станция Аннаполис в знаменитом заливе Фанди (20 МВт, введена в строй в ­1985г.) и 7 электростанций в Китае суммарной мощностью 10 МВт. В 2003г. в норвежском городе Хаммерфест запущена в действие электростанция мощностью 300 кВт. Примечательно, что компания Hammerfest ­Stroem, построившая эту электростанцию, собирается в ближайшие годы развернуть массовое строительство аналогичных объектов на побережье Норвегии.
Разработаны проекты новых приливных электростанций: Северн (проектная мощность — 1000 МВт) и Мерсей в Англии, Камберленд и Кобекуид в Канаде, Тугурской (8000 МВт) и Мезенской (4000 МВт) в России. Кроме того, ведутся исследования и проектные разработки в Индии, Южной Корее, Австралии.

Приливные электростанции имеют ряд преимуществ перед тепловыми электростанциями, сжигающими нефть и уголь. Строительство Мезенской ПЭС, например, позволит предотвратить выброс 17,7 млн.т углекислого газа в год. При стоимости компенсации выброса тонны СО2 в $5–10 (по данным Мировой энергетической конференции 1992г.) по формуле Киотского протокола ежегодный доход может составить около $1,5 млрд. Но и это еще не все. Сооружения ПЭС биологически безопасны. Например, планктон, основная кормовая база рыбного стада, на ПЭС гибнет в пределах 5–10%, а на ГЭС — почти полностью!

А что делать тем регионам, где есть побережье, но строительство приливных электростанций по тем или иным причинам невозможно?

Ответ прост: если есть море, то есть и волны, и надо просто преобразовать их энергию. Очень остроумное решение найдено инженерами. С виду такая волновая станция напоминает хорошо знакомый всем буй. В верхней части буя сделано отверстие, играющее роль воздуховода. Когда буй качается на волне, уровень воды внутри него меняется, то есть поверхность воды действует как поршень. От этого воздух то выходит из него, то входит. В выходном отверстии установлена специальная турбина (турбина Уэллса), ротор которой обладает выпрямляющим действием, сохраняя неизменным направление вращения при смене направления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направление вращения генератора. Даже небольшие волны высотой 0,3м заставляют турбину развивать более 2000 оборотов в минуту.

Японские инженеры еще в 1976г. построили волновую энергетическую установку, романтично названную «Каймей» («морской свет»). При волнении 6–7 баллов по шкале Бофорта (высота волны — более 6м) агрегат развивает вполне приличную мощность в 1 МВт. На 80метровой барже водоизмещением 500т были установлены 22 воздушных камеры, работающие попарно на одну турбину Уэллса. Первые испытания были проведены в 1978–79гг. близ города Цуруока. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3км. Дальше пошли в 1985г. норвежцы, построившие около Бергена промышленную волновую электростанцию, состоявшую из двух установок. Первая работала по пневматическому принципу и представляла собой железобетонную пневмокамеру в скале; над ней была установлена стальная башня высотой 12,3мм и диаметром 3,6м. Входящие в камеру волны создавали поток воздуха, а он через систему клапанов вращал турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 кВт. Годовая выработка составляла ­1,2млн. кВт - ч. Шторм в конце 1988г. разрушил башню, и она была заменена на железобетонную. Вторая установка — своего рода мини-ПЭС, только здесь вместо прилива работают волны. Они проходят по конусовидному каналу в межостровном ущелье длиной около 200м, достигают высоты 15м и вливаются в резервуар площадью 5500 м², уровень которого на 3м выше уровня моря. Из резервуара вода проходит через низконапорные гидротурбины мощностью 350 кВт. Станция ежегодно производит до 2 млн. кВт - ч электроэнергии.

Англичане решили вместо жестких пневмокамер использовать что-то вроде больших мягких баллонов, накачанных воздухом под избыточным давлением. Накатом волн камеры сжимаются, образуется замкнутый воздушный поток из камер в каркас установки и обратно, а на пути потока — все те же турбины Уэллса с электрогенераторами. Такая конструкция получила название «моллюск». Она была испытана на знаменитом озере Лох-Несс. Установка из 12 камер и 8 турбин, укрепленных на каркасе диаметром 60м и высотой 7м спосбна развить мощность до 1200 кВт.

К вариациям волновых электростанций относятся волновой плот Коккерела и «утка Солтера», в которых шарнирно соединенные секции и элементы, перемещаясь относительно друг друга, приводят в действие насосы с электрогенераторами или вал, соединенный опять же с генератором. Вся конструкция удерживается на месте якорями. Трехсекционный волновой плот Коккерела длиной 100м, шириной 50м и высотой 10м может дать мощность до 2 тыс. кВт. А проект установки Солтера из 20–30 поплавков диаметром 15м предполагает, что мощность станции составит 45 тыс. кВт.

Волноэнергетические установки используются для питания автономных буев, маяков, научных приборов. Кроме того, комплексы таких агрегатов могут использоваться для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, марикультурных хозяйств. Около 400 маяков и навигационных буев в разных районах мира получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас.

Волны, впрочем, достаточно капризный источник. Перспективнее использовать энергию морских течений. Сегодня вполне реально извлекать энергию при скорости потока более 1 м/с, снимая с 1 м² поперечного сечения потока примерно 1 кВт. Такие течения, как Гольфстрим и Куросио, несут соответственно 83 и 55 млн.м³/с воды со скоростью до 2 м/с. Программа «Кориолис» предполагает использовать Флоридское течение (30 млн. м³/с, скорость — до 1,8 м/с). В 30км восточнее Майами будут установлены 242 турбины с двумя рабочими колесами диаметром 168м, вращающимися в противоположных направлениях. Система длиной 60км будет ориентирована по основному потоку; ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30км.

Агрегаты предполагается отбуксировать к месту установки и заглубить на 30м, чтобы не препятствовать судоходству. Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и потерь при передаче на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флорида на 10%.

Опытный образец подобной турбины диаметром 1,5м был испытан во Флоридском проливе. Разработан также проект турбины с рабочим колесом диаметром 12м и мощностью 400 кВт.

Но пока американский проект находится в стадии разработки, на Девонском побережье Англии установлена мачта с одиночным однонаправленным пропеллером диаметром 11м, делающим 20 оборотов в минуту. Развиваемая мощность генератора — 300 КВт.

Английская компания Marine Current Tur­bines с помощью фирмы Seacore планирует в нынешнем году установить уже промышленную группу турбин мощностью до 5 МВт, с перспективой «выкачать» в водах Британии 10 ГВт электроэнергии.

Кроме классических способов использования кинетической энергии воды (волн и течений), есть экзотические проекты типа эксплуатации разности температур на поверхности и в глубине, но пока они не вышли из стадии теоретизирования.

И наиболее перспективными и технически апробированными остаются решения в виде приливных и волновых электростанций, для строительства которых в России есть очень благоприятные условия. Если, конечно, России нужен энерговооруженный, экономически крепкий Север.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!