Первый юбилей

Валерий Бородин
производственное объединение «Севмаш»

Мир становится все более «электрическим». Автопроизводители выпускают электромобили, в крупнейших городах общественный транспорт переводят на электротягу, дроны с электромоторами патрулируют заповедники и акватории, участвуют в спасательных операциях и доставляют посылки. Разрабатываются проекты судов и даже пассажирских авиалайнеров «на батарейках»

Но в погоне за будущим без парниковых выбросов многие адепты высоких технологий забывают: энергия в розетках возникает отнюдь не по взмаху волшебной палочки. И чем дальше будет расти потребление электричества, тем сильнее будут коптить небо угольные и торфяные ТЭЦ, по сей день остающиеся главными поставщиками энергии. Вот только она получается отнюдь не зеленой. Необходимо искать альтернативу – и помимо привычных атомных и гидроэлектростанций или относительно новых, но уже успевших прочно войти в нашу жизнь ветрогенераторов и солнечных панелей существует еще один способ добывать электричество, используя гравитационные силы Луны и Солнца при посредничестве Мирового океана. Речь о приливных электростанциях. 

Римские мельницы и корейские исполины

Мельницы, работающие на энергии приливов и отливов, были известны еще в Римской империи. Первая приливная электростанция была построена в 1913 году в бухте Ди неподалеку от Ливерпуля. Ее мощность составляла всего 0,635 МВт.

Всерьез воспринимать приливную электроэнергетику стали только в 1966 году, когда во во Франции была запущена крупнейшая по тем временам ПЭС «Ля-Ранс» мощностью 240 МВт. На ней установлены 24 турбины. Функционирование такой электростанции оказалось выгодным делом. Если сравнивать, например, с атомными электростанциями, то стоимость выработки киловатт-часа на ПЭС «Ля-Ранс» оказывается в полтора раза дешевле.

В СССР первой и единственной электростанцией, работающей по такому принципу, стала Кислогубская ПЭС, запущенная в 1968 году в Мурманской области на берегу Баренцева моря, губе Кислая. На этой электростанции были предусмотрены два места под гидроагрегаты. На одном из них был установлен гидроагрегат французского производства мощностью 0,4 МВт, второе зарезервировали под установку советского гидроагрегата, но, к сожалению, проект в те годы так и не был реализован. В 1994 году в связи с проблемами в экономике Кислогубскую ПЭС законсервировали.

А между тем мировые запасы приливной энергии оцениваются в 3 ТВт и по мощности сопоставимы с речными энергоресурсами (4 ТВт). Энергопотенциал морских ветровых волн, равный примерно 2,5 ТВт, лишь немного уступает по этому показателю приливам, которые могут обеспечить до 15% современного уровня энергопотребления.

При этом ПЭС лишены многих недостатков, которые характерны для других видов электростанций. Во-первых, они устойчиво работают в энергосистемах как в базовом режиме, так и в пике графика нагрузок при гарантированной постоянной месячной выработке электроэнергии. Во-вторых, не оказывают влияния на окружающую среду. В отличие от атомных станций, они не представляют потенциальной опасности, отсутствует необходимость в затоплении земель, исключены вредные выбросы в атмосферу. Кроме того, за 50 лет эксплуатации французской «Ля-Ранс» было доказано: электроэнергия ПЭС – самая дешевая в энергосистеме.

Экономика приливов

Именно по этим причинам приливная энергетика уже давно, с конца 60-х, применяется в коммерческих целях в Канаде, Китае и Франции, а совсем недавно – в Южной Корее. Что же касается экономической эффективности, первоначальные затраты, связанные с установкой, высоки, однако они сохраняют хорошие характеристики окупаемости в течение более длительного срока. Многие из установок 1960-х и 1970-х годов до сих пор работают без особых проблем.

Экономических данных для анализа не так много. Отчасти это связано с тем, что стоимость очень зависит от проекта. Два основных фактора затрат – длина и высота заграждения, определяющие капитальные затраты, и разница в высоте между приливом и отливом, определяющая производство электроэнергии. Некоторые оценки для самой старой и некогда самой большой установки приливного диапазона в «Ля-Ранс», взятые из интернет-источников, показывают, что затраты варьируются от $ 0,045 до $ 0,09–0,13 за 1 кВт/ч. Приливная электростанция в Сихве, крупнейшая установка приливного диапазона в мире, оценивается в $ 400 млн и производит электроэнергию стоимостью $ 0,024 за 1 кВт/ч.

Тем не менее затраты на строительство не обязательно должны быть отнесены к производству электроэнергии. В случае с «Ля-Ранс» эта конструкция также функционирует как автомагистраль, сокращая расстояние поездки на 30 км для 60 000 транспортных средств в день. Точно так же приливная электростанция в Сихве построена на основе существующей плотины.

Помимо первоначальных, другими значительными затратами могут быть контроль, мониторинг и управление экологическим статусом в пределах объекта. Как было отмечено в исследовании, проведенном министерством дорожного управления Норвегии, затраты на технологии приливных потоков могут упасть до 40% в случае, когда строительство сочетается и интегрируется в проектирование и реализацию новой инфраструктуры (например, защиту моря, меры улучшения качества воды или строительство дорог). Кроме того, такой комплексный подход, который сочетает в себе планирование и реализацию береговых защитных сооружений и мостов   с реализацией установок приливной энергии, может значительно снизить расходы на обслуживание и эксплуатацию станции.

Кроме того, разработчики технологий прилагают все усилия, для того чтобы к 2020–2021 годам повысить коэффициент использования ПЭС примерно до 40% и коэффициент доступности до 90%. Нормированная стоимость электроэнергии на приливной электростанции мощностью от 200 МВт к этому моменту будет составлять $ 0,24–0,28 за 1 кВт/ч. Эти оценки аналогичны исследованию, проведенному компанией Carbon Trust, которая оценила, что затраты на устройства приливного течения в 2020 году Ьсоставят около $ 0,19–0,26 за 1 кВт/ч. Увеличение мощности за счет технологий до 2–4 ГВт предполагает, что к 2030 году нормированная стоимость электроэнергии может снизиться
до $ 0,22 за 1 кВт/ч. Все это говорит о высокой экономической эффективности приливной энергетики в долгосрочных планах.

Учитывая относительную новизну приливной энергетики, большинство проектов и работ в основном сосредоточены на технологии самого устройства и его непосредственной инфраструктуры. Однако для более крупных проектов связь с другими секторами, такими как судоходство, отдых и защита окружающей среды, может не только снизить затраты на установку (путем создания инфраструктуры двойного и даже тройного назначения), но и обеспечить общественное признание.

Российские перспективы

К развитию приливной энергетики в России вернулись через десять лет после сворачивания работы Кислогубской ПЭС. В 2004 году станцию расконсервировали и установили отечественный агрегат мощностью 0,2 МВт. В 2007 году запустили новый энергоблок мощностью 1,5 МВт. Производственное объединение «Севмаш» внесло существенный вклад в процесс восстановления отечественной приливной энергетики. Именно там в 2004 году был изготовлен гидроагрегат с ортогональной горизонтальной турбиной с диаметром рабочего колеса 2,5 метра. Гидроагрегат успешно прошел испытания в натурных условиях электростанции.

Продолжением использования приливной энергии стало предложение московских гидроэнергетиков осуществить на Севмаше совместный проект по созданию экспериментального наплавного энергоблока с ортогональной гидротурбиной вертикального исполнения с диаметром рабочего колеса 5 метров для отработки принципиальных решений, важных для дальнейшего развития приливной энергетики России.

В сжатые сроки специалистами проектно-конструкторского бюро Севмаша были выполнены технический и рабочий проекты наплавного энергоблока, в конструкции которого по опыту эксплуатации ОГА-2,5 были внесены изменения с целью повышения КПД гидроагрегата за счет улучшения гидродинамических характеристик турбины.

В январе 2007 года осуществлен вывод блока общим весом 2115 тонн на акваторию предприятия для подготовки его к перегону.5 февраля 2007 года блок «посадили» на гидротехническое основание.

Успешное осуществление проекта по включению в состав Кислогубской приливной электростанции наплавного энергоблока мощностью 1,5 МВт позволяет сегодня приступить к проектированию Северной (губа Долгая) и Мезенской ПЭС. Северная приливная электростанция проектируется на мощность 12 МВт.
Ее основной генерирующий элемент – наплавной железобетонный энергоблок – комплектуется тремя ортогональными гидроагрегатами с трехъярусным расположением рабочих колес и устанавливается на тех же отметках основания, которые существуют в базовых створах Мезенской и Тугурской ПЭС.

Уникальная турбина

Ортогональный гидроагрегат разработки производственного объединения «Севмаш» представляет собой разновидность ротора Дарье с прямолинейными лопастями крыловидного профиля, жестко установленными параллельно валу. Это быстроходная реактивная турбина двойного действия, ось вращения которой располагается вертикально или горизонтально поперек потока, что наиболее эффективно для характерных в условиях ПЭС низких напоров. Она идеально приспособлена для двусторонней турбинной работы на приливной гидроэлектростанции, так как не меняет направление вращения вала и характеристик при изменении направления течения воды по водоводу. Удешевление гидроагрегатов достигается благодаря тому, что ортогональная турбина конструктивно проще осевой, менее металлоемка и технологична в изготовлении. Кроме того, в одном гидроагрегате на общем валу могут располагаться две и более турбины.

Масса, а следовательно, и стоимость ортогональных машин в два раза меньше идентичных по диаметру рабочих колес осевых. По сравнению с осевой схемой ортогональная в холостом режиме обладает в два раза большей пропускной способностью, что позволяет значительно сократить водосливной фронт гидроузла. Кроме того, применение ортогональных машин ведет к сокращению примерно на треть объема здания станции.

КПД ортогональных машин (0,75–0,80) пока меньше, чем у осевых, однако общий коэффициент полезного действия всего цикла у ортогональных машин выше. А за счет указанных преимуществ затраты на оборудование приливных гидроэлектростанций при равнозначных мощностях и выработке с применением ортогональных машин снижаются вполовину, а общие капзатраты – на 18%.

Наработанный производственным объединением «Севмаш» опыт изготовления ортогональных гидроагрегатов ОГА-2,5 и ОГА-5 позволяет успешно применять интеллектуальный и производственный потенциал в создании нового трехъярусного ортогонального гидроагрегата для ПЭС «Северная», что, в свою очередь, является необходимым этапом проектирования и изготовления крупных приливных электростанций большой мощности, таких как Мезенская и Тугурская.

Россия обладает достаточно большим потенциалом приливной энергии. По данным многолетних проектных проработок, ее экономически обоснованная выработка на одной только проектируемой Мезенской ПЭС в Мезенском заливе Белого моря составляет около 40 млрд кВт/ч в год, что равно средней годовой выработке энергии на Волжско-Камском каскаде ГЭС. Электроэнергия с Мезенской станции может быть передана не только в северно-западные районы европейской части России, но и в центральный район, и в частности в Москву. Что касается неиспользованных гидроэнергетических ресурсов рек России для энергоснабжения этих районов, то они практически исчерпаны.

Другая перспективная приливная станция – Тугурская ПЭС в Тугурском заливе Охотского моря с проектной выработкой энергии около 15 млрд кВт/ч в год. Есть убедительные доводы в пользу ее строительства в ближайшие годы, несмотря на то, что в азиатской части России много неиспользованных гидроэнергоресурсов рек. В более отдаленной перспективе может быть осуществлено строительство Пенжинской ПЭС в Пенжинском заливе Охотского моря с колоссальной проектной выработкой электроэнергии – 190 млрд кВт /ч в год.

В статье использованы фото: Depositphotos, Shutterstock.


Крупнейшие пэс мира

«Ля-Ранс»

Заграждение простирается на 750 метров между мысом Бреби на западе и мысом Брианте на востоке. Оно расположено в устье реки Ранс и соединяет города Динар и Сен-Мало в Бретани, создавая водохранилище площадью 22 км2. Ежегодное производство электричества порядка 500 ГВт/ч (491 ГВт/ч в 2009-м, 523 ГВт/ч в 2010-м, 449 ГВт/ч в 2013 г.), производство такого количества электроэнергии может закрыть потребности города с числом жителей порядка 225 тыс., такого как Ренн. Со стоимостью производства электричества, оцененной в размере € 0,018 за 1 кВт/ч, приливная энергия, произведенная ПЭС «Ля-Ранс», более конкурентоспособна в экономическом плане, чем ядерная энергия (€ 0,0598 за 1 кВт/ч).

«Сихва»

Электростанция на северо-западном побережье Южной Кореи в провинции Кёнгидо, западнее города Ансан, примерно в 40 км к юго-западу от Сеула, использует силу Желтого моря, расположенного между Корейским полуостровом и Китаем. Вследствие большой площади залива и относительно небольшой глубины возникают сильные приливы. В бухте Асан, от которой отделен залив Сихва, высота прилива составляет порядка 8 м. Длина дамбы достигает 12,7 км.Объем водохранилища – 324 млн м3. Площадь его поверхности – 56,5 км2. Пропускные сооружения представляют собой восемь заслонок размером 15,3 Х 12 м. Расход морской воды составляет примерно 160 млн м3/день, что соответствует приблизительно половине объема водохранилища. Высота прилива – 7,5 м. Высота падения воды – 5,82 м. Годовая выработка электростанции – 550 ГВт/ч – ориентировочно соответствует потребности города в полмиллиона человек. По оценке экспертов, капитальные затраты на строительство ПЭС составили менее $ 2,5 тыс. за 1 кВт.

 

Энергия волны
Энергия волны
Энергия волны
Энергия волны
Энергия волны
Энергия волны