Энергия мирового океана

О приливных электростанциях слышал не каждый. Между тем, над проблемой использования энергии морского прилива ученые работают давно. В России школа по ее изучению была создана Л.Б. Бернштейном еще 60 лет назад. А первые приливные электростанции - и в нашей стране, и за рубежом - появились в конце 1960-х годов. «Институт Гидропроект» и его научно-исследовательский сектор (сейчас - Институт энергетических сооружений - НИИЭС) вот уже более пятидесяти лет занимается проектированием и созданием наплавных конструкций при строительстве гидроэнергетических и гидротехнических сооружений. С помощью наплавного способа строительства по проектам этого учреждения были созданы Кислогубская приливная электростанция, наплавные фундаменты для опор высоковольтных линий 330 кВ перехода через Каховское водохранилище, а также два водопропускных сооружения комплекса защиты Санкт-Петербурга от наводнений. О том, что представляет собой приливная электростанция и в чем преимущество ее использования в энергетике, мы попросили рассказать сотрудника института, главного инженера проектов приливных электростанций и наплавных конструкций, кандидата технических наук Игоря Николаевича Усачева. Этот материал подготовлен на основе статьи Игоря Николаевича «Возобновляемая и экологически безопасная энергия приливных электростанций». О необходимости использования приливной энергии В 1998 году в Москве прошла Первая Международная конференция «Энергетика и общество», где было определено, что в XXI веке должно быть превалирующим использование возобновляемых и экологически безопасных видов энергии. Такой, в первую очередь, является энергия морских приливов. Потенциально возможная мощность ПЭС для 119 рассмотренных створов побережья Мирового океана составляет 811 млн. кВт, с годовой выработкой 2037 млрд. кВт/ч, а это около 15% всего современного мирового потребления энергии. В настоящее время действует уже 10 ПЭС. Это промышленная ПЭС Ранс во Франции мощностью 240 кВт, пущенная в эксплуатацию в 1967 году, а также экспериментальные ПЭС: Кислогубская в России (400 кВт, 1968 г.), Аннаполис в Канаде (20 МВт, 1985 г.) и семь электростанций в Китае суммарной мощностью 10 МВт. А за последнее десятилетие разработаны проекты новых ПЭС: Северн и Мерсей в Англии, Камберленд и Кобекуид в Канаде, Тугурской и Мезенской в России. Кроме того, ведутся исследования и проектные разработки ПЭС в Индии, Корее, Австралии. Энергия ПЭС прерывиста в суточном и неравномерна в месячном периодах, но ее величина неизменна в течение месяца, а это гарантия того, что она может использоваться в энергосистемах бесконечно длительный срок. Как используется энергия прилива Наиболее эффективной оказалась модель использования приливной энергии, разработанная в России. По этой модели морские заливы при возведении сооружений электростанции отсекаются целиком - это дает наибольшее количество энергии и существенно уменьшает затраты на строительство. Потоки энергии, полученные на приливных электростанциях, объединяются в энергосистеме с энергией других типов электростанций, взаимно обогащая друг друга. Так, например, речные гидроэлектростанции с водохранилищами длительного регулирования могут снижать свою мощность при увеличении мощности совместно работающих ПЭС в сизигийный период прилива, а вода, сэкономленная при этом в водохранилищах ГЭС, будет использоваться в квадратурный период прилива для компенсации уменьшения мощности приливных электростанций. Вопросы затрат на строительство При экономическом обосновании проектов ПЭС возник вопрос преодоления барьера стоимости. Дело в том, что строительство ПЭС Ранс оказалось в два раза дороже строительства сопоставимой гидроэлектростанции - из-за сооружения на морской акватории строительных перемычек. Для решения проблемы Л.Б. Бернштейном было предложено использовать давно известный, но никогда не применявшийся при строительстве электростанций наплавной способ строительства. Снижение стоимости ПЭС предполагается получить и с помощью созданной в НИИЭС ортогональной гидромашины. Ее применение позволит снизить почти в полтора раза затраты на оборудование ПЭС (а в общей смете строительства они составляют 40-50%), значительно сократить размеры водосливной плотины гидроузла - благодаря увеличению на 40% (по сравнению с осевыми турбинами) пропускной способности, а также уменьшить размер здания электростанции и упростить конструкцию труб. Главное же достоинство ортогональной машины - дешевизна и простота ее изготовления, причем не на специализированных турбиностроительных заводах, а на обычных механических массовыми сериями. Другая проблема заключалась в обеспечении долговечности конструкций. Понятно, что строить сооружения, которые выйдут из строя через несколько лет, бессмысленно. Тридцатилетняя эксплуатация Кислогубской ПЭС опровергла мнение о неизбежности разрушения бетонов в зоне прилива северных морей. Исследования показали, что конструкции ПЭС не имеют повреждений и находятся в хорошем рабочем состоянии после 30 лет эксплуатации в чрезвычайно суровых природных условиях, при воздействии соленой морской воды. Особое внимание было уделено защите от коррозии. Полную защиту от электромеханической коррозии всех железобетонных конструкций ПЭС, металлической диафрагмы плотины и гидроагрегата обеспечивает система катодной защиты. За 30 лет эксплуатации следов коррозии здесь обнаружено не было, в то время как в естественных условиях скорость коррозии металла достигает 1 мм в год. Была также проблема защиты поверхностей (бетона и металлического оборудования) от обрастания. Биомасса обрастателей, образуя жесткий слой в 15-20 см, весом до 230 кг на квадратный метр, могла вызвать зарастание водоводов и значительное увеличение веса конструкции. Для ПЭС были разработаны необрастающие бетоны с биоцидными добавками. На особо важном участке - турбинном водоводе - была установлена экологически безопасная система защиты, основанная на принципе воздействия раствора активного хлора на биомассу в пределах водовода. Экологическая безопасность Экологическая безопасность ПЭС была доказана исследованиями в России и за рубежом. Биологическая стабилизация флоры и фауны в бассейне ПЭС Ранс произошла через 10 лет и сохраняется благодаря постоянному водообмену с морем. Новые условия изменили, но не обеднили качественный и количественный состав гидробионтов в бассейне ПЭС и даже привели к двойному увеличению биомассы донного сообщества. Здесь отмечается увеличение рыбной массы и урожая моллюсков на подводных плантациях, а также улучшение условий существования птиц на всем протяжении бассейна. На Кислогубской ПЭС были проведены опытные пропуски через плотину промысловой рыбы - и ни одна из выловленных особей не получила повреждений. Минимальными оказались и потери от пропуска через агрегат ПЭС зоопланктона. Исследованиями установлено, что на капсульном гидроагрегате ПЭС гибнет всего 4-5% биомассы планктона, тогда как на осевом гидроагрегате ГЭС - до 85%. На крупных ПЭС, где будут использоваться гидроагрегаты с диаметром рабочего колеса до 10 метров (в три раза больше, чем на Кислогубской ПЭС), проблем выживания зоопланктона и пропуска рыбы, видимо, не возникнет вообще. Также были проведены и другие исследования, показавшие, например, что колебания солености воды в бассейне (фактор, определяющий экологическое состояние морской фауны и льда) не превышают 0,07%, т.е. несущественны. По данным исследований для Тугурской ПЭС, приливные электростанции положительно влияют на смягчение ледового режима в бассейнах: количество льда уменьшается почти вдвое, также уменьшается толщина льда, торосы, и нажимное действие льда со стороны моря. Процессы динамического изменения морского дна вследствие отсечения бассейна ПЭС от моря (размывы, движения наносов) стабилизируются уже через два года эксплуатации станции. Одно из основных экологических преимуществ ПЭС - отсутствие (в отличие от ГЭС) затопления земель, т.к. бассейн приливных электростанций образуется естественным путем без подтопления берегов. Максимальный уровень бассейна даже слегка понижается из-за уменьшения естественного водообмена. Другое главное преимущество - отсутствие (в отличие от АЭС и ТЭС) вредных для здоровья и губительных для природы выбросов газа, золы, радиоактивных и тепловых отходов при добыче, транспортировке, сжигании или захоронении топлива, а также предотвращение сжигания кислорода в воздухе. Подсчитано, что только сооружение Тугурской и Мезенской ПЭС предотвратит выброс 250 млн. тонн углекислого газа, золы, окислов серы и азота и сохранит около 200 млн. тонн кислорода. Именно экологический фактор - главное обоснование необходимости строительства приливных электростанций. Экономическая эффективность Об экономической эффективности приливных электростанций можно судить на основе следующих данных. На промышленной ПЭС Ранс стоимость энергии ниже, чем на других электростанциях в системе Electricite de France. Так, на 1995 год стоимость 1 кВт/ч электроэнергии на ПЭС составила 18,50, на ГЭС - 22,61, на ТЭС - 34,20 и на АЭС - 26.15 сантима. В России при сравнении вариантов сооружения Тугурской ПЭС и Амгуньской АЭС был установлен явный приоритет ПЭС: себестоимость 1 кВт/ч на ПЭС равнялась 2,4, а на АЭС - 8,7 коп. в ценах 1996 года. В настоящее время преодолен и так называемый экономический фактор ПЭС - сравнительная эффективность капитальных затрат на строительство. Например, капиталовложения в строительство Тугурской ПЭС составят в современных ценах 882 доллара за кВт, Мезенской - 1076, а на новых Гилюйской и Средне-Учурской ГЭС - 994 и 1005 долларов соответственно. Говоря об экономическом обосновании строительства приливных электростанций, не стоит забывать и об ожидаемой торговле квотами по ограничению выброса вредных веществ в атмосферу развитыми странами, присоединившимися к мировой конвенции ООН по изменению климата. По расчетам экономистов, в этом бизнесе на чистом воздухе, только за счет введения Мезенской и Тугурской ПЭС наша страна может прибавить к своему бюджету около 2,5 млрд. долларов в год (по 10 долларов на тонну выброса, по данным Всемирного банка). Таким образом, научные исследования и практический опыт доказывают: приливные электростанции действительно являются выгодными для дальнейшего развития отечественной энергетики с точки зрения экологической безопасности, экономической эффективности и отсутствия негативных социальных последствий. Будет ли энергия морского прилива востребована в полной мере уже через десять - двадцать лет или нам придется ждать очень долго - покажет время. К сожалению, пока в России нет мощных финансовых средств, необходимых для гигантского строительства с долгосрочной отдачей. Но, во всяком случае, уже сейчас ясно, что будущее - именно за такими экологически и экономически прогрессивными методами производства энергии.