Энергия волн — явление малоизученное, хотя и давно известное. Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление — результат изменения положений Луны и Солнца относительно Земли вкупе с эффектами вращения Земли и особенностями данного рельефа. Высота прилива — величина непостоянная: в зависимости от взаимного расположения Луны и Солнца малая и, соответственно, большая приливные волны могут усиливать друг друга. Для таких приливов сложились названия: ❏ «квадратурный» прилив — наименьший прилив, когда приливообразующие силы Луны и Солнца действуют под прямым углом друг к другу (такое положение светил называется «квадратурой»); ❏ «сизигийный» прилив — наибольший прилив, когда приливообразующие силы Луны и Солнца действуют вдоль одного направления (такое положение светил называется «сизигией»). Чем меньше или больше прилив, тем меньше или, соответственно, больше отлив. Идея использования энергии приливов появилась у наших предков добрую тысячу лет назад. Правда, строили они тогда не ПЭС, а приливные мельницы. Одна из таких мельниц, упоминаемая еще в документах 1086 г., сохранилась в местечке Илинг на юге Англии. В России первая приливная мельница появилась на Беломорье в XVII в. Но за отсутствием теоретической, равно как и технической баз пыл изобретателей быстро угасал, и широко распространения данная тематика не получила. В ХХ в. ученые вновь задумались над использованием потенциала приливов в электроэнергетике. Десятки научно-исследовательских институтов по всему миру одновременно бросились довольно резво и поначалу успешно разрабатывать конструкции, позволяющие извлекать энергию из волн и суточных перепадов высот воды, и казалось, что основным вопросом будет: кто первым успеет получить патент. Ну что там можно принципиально нового придумать? Берем обыкновенный, отлично зарекомендовавший себя на суше ветряк и помещаем его под воду. Но патентов хватило на всех, потому что ветряк под водой работать не захотел. Вернее, он, конечно, заработал, но с таким низким КПД, что срочно потребовалась модернизация. Вот тут-то техническая и творческая мысль ученых всей Земли заработала на всю катушку. Ведь на кону — ни много ни мало — монополия на самые дешевые и производительные на свете приливные электростанции, гора заказов и всемирная слава. Поскольку сразу объять необъятное не вышло, компании решили пока не зацикливаться на комплексном решении, а сосредоточиться на отдельных, кажущихся им наиболее значимыми, аспектах. Для начала группу проблем разделили на две: часть ученых продолжила заниматься приливной тематикой, другая же решила развивать направление собственно волн и течений на бескрайних океанических просторах. Конструкции Первыми в сооружении электростанций, извлекающих энергию из суточных движений воды, преуспели французы. В 1925 г. они присмотрели перспективное место под приливную электростанцию вблизи деревни Абер-Врак (Aber-Wrac’h, департамент Финистер) и даже начали строительство, но из-за финансовых проблем в 1930 г. дело встало. Конструкторские наработки, однако, даром не пропали: они пригодились при сооружении следующей ПЭС, которая и стала первой действующей. Место для нее в устье р. Ранс, впадающей в Ла-Манш (провинция Бретань), выбрал еще в 1921 г. инженер Жерар Буасноэ (Gerard Boisnoer). Даже самые низкие квадратурные приливы поднимаются здесь на 8 м, а в дни т.н. «сизигий» вода превышает отметку 13,5 м. В 1943 г. Общество по изучению использования приливов (SEUM) провело необходимые исследования и составило техническое обоснование проекта ПЭС. Сами же работы по строительству начались только в 1961 г. Главным специалистом проекта стал известный французский архитектор Луи Арретч (Louis Arretche). Плотину, призванную защитить стройку от океанических течений, спроектировал Альбер Како (Albert Caquot), получивший к тому времени титул «лучшего инженера Франции». Два года ушло на осушение строительной площадки. 20 июля 1963 г., когда бассейн будущей ПЭС был надежно заблокирован двумя мощными дамбами, состоялась церемония закладки первого камня, а 26 ноября 1966 г. построенную ПЭС открыл лично президент Франции генерал Шарль де Голль. Сооружение получилось впечатляющим: приливный бассейн площадью 22,5 км2, отгороженные плотиной длиной 750 м, на которой смонтированы 24 турбины общей мощностью 240 МВт. Движение по дамбе было открыто 1 июля 1967 г., а 4 декабря того же года электростанция была подключена к национальной энергосети (EDF). Несмотря на внушительные размеры (эта электростанция по сей день является одной из крупнейших в мире среди ей подобных), электростанция обеспечивает лишь 0,012 % необходимой французам электроэнергии. Простейший, наиболее похожий на ветряные двигатели вариант предложили англичане из MCT (Marine Current Turbines — турбины морского течения): подводный столб с двумя расположенными на горизонтальной перекладине поперек предполагаемому приливу-отливу двухлопастными пропеллерами. В зависимости от направления водных масс лопасти пропеллера необходимо разворачивать на 180° (разумеется, это делается с помощью автоматики, а не вручную), для чего она останавливаются, а после вновь закручиваются в противоположном направлении. Диаметр каждого пропеллера — от 15 до 20 м. Примерная мощность столба — 1 МВт. Для выполнения профилактических и ремонтных работ перекладина умеет выезжать из-под воды наружу. Конструкция, получившая название SeaGen (морской генератор), уже установлена у берегов Великобритании и снабжает электричеством полторы тысячи близлежащих домов. Российские ученые, подвергнув критике зарубежную классическую осевую поворотно-лопастную турбину из-за ее технологической сложности, придумали турбину с ортогональным гидроагрегатом, основным преимуществом которой декларируется простота в изготовлении. Делать такие гидроагрегаты можно не только на турбиностроительных заводах, но и на любом механическом предприятии. В ортогональных турбинах прямые лопасти с крыловидным профилем устанавливаются параллельно оси вращения, а вода течет перпендикулярно им. При любом направлении потока вся конструкция вращается в одну и ту же сторону, заданную профилем «крыла». Такие турбины уже давно применялись в ветроэнергетике, но для приливной оказались неэффективными. Разработанные в середине 1980-х гг. в Канаде и Японии прототипы имели низкий КПД (около 40 %), и в итоге идею забросили. Однако в российском НИИ энергетических сооружений в результате десятилетней работы смогли найти оптимальные очертания камеры и лопастей ортогональной турбины и подняли КПД до 60–70 %. Экспериментальный образец турбины диаметром 2,5 м был изготовлен на заводе «Севмаш» и в 2004 г. установлен на Кислогубской станции (это наша первая российская ПЭС небольшой мощности, на которой испытывают экспериментальное оборудование; удачные решения внедряются на другие ПЭС) вместо полностью выработавшей свой ресурс первоначально стоявшей там французской 400-киловаттной осевой турбины. В течение двух лет проходили испытания. Результат показал, что КПД ортогональной турбины в 1,5 раза выше зарубежных турбин. Снижается стоимость и время ее изготовления. Например, пионерный серийный образец ортогонального гидроагрегата диаметром 5 м, предназначенный для будущих мощных ПЭС, был изготовлен также на заводе «Севмаш» в рекордное время — за полгода. Весь 2007 г. ученые проводили испытания этого энергоблока в естественных условиях. Работы велись по всем направлениям: испытаниям подвергались технология конструкции агрегатов и наплавных блоков, а также выбор материалов для строительства. Упомянутая технология наплавных блоков подразумевала выполнение всех сложных работ по сборке агрегатов в промышленных центрах и буксировка готовых блоков по воде к месту установки, что позволило обойтись без дамбы, которая, как мы помним, потребовалась во Франции. Похожую идею предложили недавно три оксфордских профессора — Гай Хоулсби (Guy Houlsby), Малькольм Маккаллок (Malcolm McCulloch) и Мартин Олдфилд (Martin Oldfield). Свой проект они назвали THAWT — Transverse Horizontal Axis Water Turbine («поперечная водяная турбина с горизонтальной осью»). Он предполагает установку на дно горизонтальной барабанной конструкции с косыми лезвиями-лопастями, которая, подобно ортогональной турбине, вращается в одну и ту же сторону на обеих фазах приливно-отливного цикла. Еще одно важное нововведение — набор лопастей THAWT расположен так, что образует треугольники. Такая конструкция отличается большой прочностью и жесткостью. В промышленном варианте ротор должен иметь 10 м в диаметре и 60 м в длину. Связка из двух барабанов и одного генератора между ними сможет выдавать до 12 МВт электроэнергии — в 10 раз больше, чем уже действующая установка SeaGen. Как посчитали авторы проекта, затраты на производство такой установки будут на 60 % ниже, а эксплуатационные расходы — примерно на 40 % меньше, чем у морских турбин SeaGen. В 2009 г. англичане обещают построить прототип установки с диаметром турбины 5 м, а к 2013 г. — запустить первую коммерческую установку. В 2005 г. британская компания SMD Hydrovision анонсировала технологию сбора энергии приливов TidEl. Пропеллеры выполнены из легкого материала, а потому не тонут, а стремятся всплыть. Но от всплытия их удерживает якорь, в результате вентиляторно-генераторный блок шириной 15 м, похожий на небольшой двухмоторный самолет, болтается на цепях на глубине около 30 м. Поток воды разворачивает турбину в нужную сторону, посему агрегат работает одинаково хорошо как во время приливов, так и во время отливов, да и вообще чутко реагирует на любые течения. Не нужны ни разворачивающие лопасти механизмы, ни сложные ортогональные и треугольные конструкции. Оригинальность проекта обеспечила TidEl победу в конкурсе экологических технологий на всемирной выставке World Expo’2005. Однако дальше полутораметрового проектного образца, работающего в экспериментальном бассейне SMD Hydrovision, дело пока не пошло. Австралийская компания Oceanlinx в качестве основного недостатка конкурентов выделила статичность расположения лопастей турбины, что не позволяет им с равной эффективностью реагировать на разнообразные по своим направлениям и интенсивности морским течениям. Поэтому их разработка OWC имеет камеру предварительного реагирования, которая расположена на поверхности океана и имеет отверстия снизу побольше и сбоку поменьше. Набегающая волна, поступая в камеру снизу, резко повышает уровень воды и, соответственно, давление воздуха, выходящего через боковое отверстие. Это давление измеряется, передается в центр управления, где всесторонне анализируется на предмет размера, скорости, направления и даже формы волны. По результатам анализа определяются оптимальные значения скорости вращения турбины и угла атаки ее лезвий — Oceanlinx обещает повышение КПД чуть ли не до 95 %. Выходная мощность установки составляет от 100 кВт до 1,5 МВт. Несколько установок описанного типа уже установлены в Австралии. Две из них можно посмотреть на карте Google по координатам 34°27’07,6” S, 150°54’06,8” E и 34°28’16,7” S, 150°54’56,5” E. Контракты других потенциальных заказчиков из Намибии, Мексики и американских штатов Род-Айленд (Rhode Island) и Гавайи (Hawaii) пока находятся в стадии разработки. Идея вытесняющегося водой воздуха нашла применение и в запатентованной «колонне колеблющейся воды» от Sperboy, где повышение и понижение уровня воды в море вызывает аналогичные колебания уровня воды во внутренней полости трапециевидной конструкции, частично торчащей над водой. Находящийся в верхней части колонны воздух выдавливается наружу или, соответственно, всасывается внутрь через отверстия, в которые встроены электрогенерирующие вентиляторы. Похожий принцип использован в распространенной конструкции IPS OWEC Buoy (OWEC = Offshore Wave Energy Converter — конвертор энергии волн, расположенный на некотором удалении от берега), представляющей собой 6–8-метровый в диаметре буй, плавающий над зафиксированной в морском дне трубкой с поршнем. Длина трубки обычно составляет 20 м. Колебания буя на морской поверхности передаются поршню, поступательные движения которого преобразуются генератором в электроэнергию. Генератор может быть один на несколько (до 10) трубок. В роли генератора, как правило, выступает проволочная катушка, магнитным сердечником которой является совершающий поступательные движения стержень поршня. В конструкции турбины от OpenHydro Group также присутствует магнитная обмотка в качестве генератора. А с конструкцией самой турбины решили особо не выдумывать: внешне она сильно напоминает многолопастную турбину самолетного двигателя. Устройство закрепляется на дне по ходу какого-либо океанического течения. Действующий прототип установлен недалеко от берегов Шотландии. Интересная конструкция волнового понтона реализована шотландцами из эдинбургской Pelamis Wave Power у берегов Португалии. Их электростанция имеет вид качающейся на волнах змеи из нежестко соединенных секций размером с железнодорожный вагон каждая. Взаимное угловое перемещение «вагонов» приводит в действие электрогенераторы, размещенные в сочленениях. Принцип действия устройства основан все на том же свойстве магнита вызывать в перемещающемся относительно него проводнике ток. Качающиеся на волнах генераторы-змеи вырабатывают 2,25 МВт энергии. В дальнейшем предусмотрено добавление к этой же волновой ферме у берега Агусадоры еще 25 «змей», что поднимет суммарную мощность станции до 21 МВт. Датчане из Wave Dragon тоже придумали плавающую конструкцию и назвали ее «Волновым драконом». На самом деле, на дракона она похожа мало: через бортики болтающегося на волнах бассейна перехлестываются волны, собранная вода стекает в центр емкости, где находится сквозное отверстие с турбинами. Вода, стекая вниз, вращает турбины. Мы описали, конечно, не все проекты, а лишь наиболее интересные из тех, которые оказались достаточно реалистичными и финансируемыми, чтобы быть реализованными или, по меньшей мере, протестированными. Место установки Теперь немного о местах, где от установки приливных и волновых турбин можно получить наибольшую отдачу. Ведь мощность ПЭС напрямую зависит от силы волны. Проведенные измерения показывают, что на атлантическом побережье (Ирландии, Исландии, Норвегии) на каждый метр прибрежной линии приходится 70 кВт волновой мощности. В Испании и Португалии мощность волны достигает 50 кВт, а в районе Гибралтара уже только 30 кВт. На североморском побережье Германии это значение и того меньше — 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. Экономически целесообразным считается строительство приливных электростанций в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Подход к организации «рабочего места» для приливных электростанций также очень отличается. Некоторые экземпляры можно просто втыкать в морское или океаническое дно (SeaGen, THAWT, TidEl), другие же (французская и Кислогубская ПЭС) требуют сложных гидротехнических запруд, барьеров и вспомогательных ГЭС. Плотиной перекрывается залив или устье впадающей в море (океан) реки (образовавшийся водоем называют бассейном ПЭС). В теле плотины имеются водопропускные отверстия, в которых размещаются гидротурбины и соединенные с ними гидрогенераторы. Во время прилива вода поступает в бассейн и вращает лопасти турбин. Постепенно уровни воды в бассейне и море сравниваются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы вновь начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. При одном бассейне и правильном полусуточном цикле приливов ПЭС может вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4–5 ч с перерывами, соответственно, 1–2 ч четырежды за сутки (такая ПЭС называется однобассейновой двустороннего действия). Для устранения неравномерности выработки электроэнергии бассейн ПЭС можно разделить плотиной на два или три меньших бассейна, в одном из которых поддерживается уровень «малой», а в другом — «полной» воды; третий бассейн — резервный; гидроагрегаты устанавливаются в теле разделительной плотины. Но и эта мера полностью не исключает пульсации энергии, обусловленной цикличностью приливов в течение полумесячного периода. При совместной работе в одной энергосистеме с мощными тепловыми (в т.ч. и атомными) электростанциями, энергия, вырабатываемая ПЭС, может быть использована для участия в покрытии пиков нагрузки энергосистемы, а входящие в эту же систему гидроэлектростанции (ГЭС) или гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), имеющие водохранилища сезонного регулирования, могут компенсировать суточные и внутримесячные колебания энергии приливов. Минусы О плюсах мы поговорили. А есть ли минусы (помимо гигантских финансовых затрат на разработку)? Ряд специалистов не разделяет царящего в подавляющем большинстве ученых сообществ оптимизма по поводу безвредности приливных и волновых электростанций. По их наблюдениям, вмешательство в функционирование Мирового океана якобы приведет к катастрофическим последствиям вначале в регионе, а затем и на всей Земле. Проектировщики же приливных конструкций, будучи всецело увлечены финансовой и конструкторской стороной дела, отбиваются довольно вяло. В основном доводы сводятся к фразе: «Такого-то негативного эффекта замечено не было». Поскольку, как уже неоднократно упоминалось, энергетика морских вод на настоящий момент изучена слабо, лишь приведем аргументы (А) противников ПЭС и контраргументы (К) сторонников. 1. (А): На ПЭС гибнет 5–10 % планктона — основной кормовой базы рыбного стада, да и не все рыбы проходят живыми через лопасти. Так, в районе французской ПЭС на р. Ранс после сооружения дамбы исчезли песчанка и камбала. (К): На ГЭС гибнет гораздо больше и рыб, и планктона (до 83–99 %). К тому же, если речь идет о реке, рыбам некуда деваться кроме как пробираться сквозь плотину. В случае же с отгороженным заливом дело обстоит не столь драматично. Исследования Полярного института рыбного хозяйства и океанологии на Кислогубской ПЭС не обнаружили погибшей рыбы или ее повреждений. Сравнительно медленно вращающие лопасти подводных «мельниц» (около 20 об/мин) относительно безопасны для рыб. 2. (А): ПЭС нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и, тем самым, условия жизни морской флоры и фауны. Ледовый режим в бассейне ПЭС смягчается. (К): Снижение солености воды в бассейне ПЭС, определяющее экологическое состояние морской фауны и льда, составляет 0,05–0,07 %, т.е. практически не ощущается. 3. (А): ПЭС влияют на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения. В конечном итоге работа приливных электростанций тормозит вращение Земли. (К): Ввиду колоссальной массы Земли влияние приливных электростанций незаметно. Кинетическая энергия вращения Земли настолько велика, что работа приливных станций суммарной мощностью 1000 ГВт будет увеличивать длительность суток лишь на 10–14 с/год, что на девять порядков меньше естественного приливного торможения (2⋅10–5 с/год). ❏ 1. Российские источники: energospace.ru, energo-piter. ru, generator-s.ru, generator.ru, ru.wikipedia.org, siesp. ru, membrana.ru, vokrugsveta.ru, htcom.ru, topstroy. ru, goodteplo.ru, pragent.ru 2. Зарубежные источники: bwea.com, aquaenergygroup. com, marineturbines.com, oceanpowertechnologies. com, openhydro.com, oceanpd.com, sperboy.com, smdhydrovision.com, .wavedragon.net, pelamiswave. com, ips-ab.com, en.wikipedia.org, rovexchange.com, smd.co.uk, save-green.com