Энергия приливов и отливов

Очень мощным источником энергии являются приливы и отливы. Если верить цифрам, они могут дать человечеству около 70 миллионов миллиардов кВт/ч в год. Если сравнивать, то это примерно столько энергии, сколько можно получить из всех разведанных запасов бурого и каменного угля. В 1977г. вся экономика СССР базировалась на 1150 миллиардах кВт/ч, экономика США - на 200 миллиардах кВт/ч. Так что, в теории, только приливы и отливы могли обеспечить энергетическое процветание 6000 СССР, но это сухие цифры не имеющие ничего общего с реальностью.

Технология гидроэлектростанций, основанных на приливах и отливах, досконально проработаны в инженерном плане, многие варианты уже опробованы в некоторых странах, даже в Кольском полуострове. Выдвинута даже оптимальная стратегия использования такой энергии: во время приливов накапливать воду в водохранилищах, а во время максимальной нагрузки на энергодобывающую сеть, разгружать ее, используя энергию, накопленную при приливе.

В наше время приливные электростанции, конечно же, значительно уступают тепловой энергетике, ведь легче получить коротко-срочную прибыль, закупив дешевую нефть в странах третьего мира. Однако приливная энергия обладает всеми качествами, которые помогут ей в будущем стать одной из самых важных составляющих мировой энергетики.

Чтобы построитьПЭС даже в самых приспособленных для этого местах, где уровень воды колеблется от 1 до 16 метров, нужны десятилетия. Но все-таки ПЭС должны потихоньку отвоевывать долю мировой добычи энергии.

Самая первая ПЭС, имеющая мощность 240 МВт, была построена в 1966 г. в устье реки Ранс во Франции, эта река впадает в пролив Ла-Манш, средний показатель перепадов уровня воды там составляет 8.4 м. Хоть она и обошлась стране в 2.5 раза дороже, чем строительство гидроэлетространции такой же мощности, сразу после начала ее эксплуатации стала очевидна ее экономическая выгодность. В настоящее время Французская ПЭС используется и приносит энергию в энергосистему страны.

Созданы проекты крупнейших ПЭС: мощностью 4000 МВт - Мезенская на Белом море, и Кольская - мощностью 330 МВт. В будущем планируется использовать большой энергетический потенциал Охотского моря, там приливы достигаю почти 13 м.

Очень хорошие предпосылки для распространения и развития добычи энергии из приливов дает геликоидная турбина Горлова. С ее помощью можно строить приливные электростанции и добывать энергию не сооружая плотины - это в разы уменьшает издержки на строительство.

Под влиянием приливообразующих сил Луны и Солнца в океанах и морях возбуждаются приливы. Они проявляются в периодических колебаниях уровня воды и в ее горизонтальном перемещении (приливные течения). В соответствии с этим энергия приливов складывается из потенциальной энергии воды, выведенной из положения равновесия, и из кинетической энергии движущейся воды. Величины потенциальной и кинетической энергии имеют примерно один и тот же порядок и равны около 5*25*10²⁴ эрг. При расчетах энергетических ресурсов Мирового океана для их использования в конкретных целях, например для производства электроэнергии, вся энергия приливов оценивается в 1 млрд. кВт, тогда как суммарная энергия всех рек земного шара равна 850 млн. кВт. Колоссальные энергетические мощности океанов и морей представляют собой очень большую природную ценность для человека.

С давних времен люда стремились овладеть энергией приливов. Уже в средние века ее начали использовать для практических целей. Первыми сооружениями, механизмы которых приводились в движение приливной энергией, были мельницы и лесопилки, появившиеся в X-XI вв. на берегах Англии и Франции. Принцип их действия был основан на использовании потенциальной энергии приливов. Несложна была и конструкция этих устройств. Обычно небольшая бухта на морском побережье перегораживалась дамбой, отделявшей бассейн от моря. В дамбе располагались отверстия с затворами и приливная мельница. Во время прилива вода через открытые отверстия в дамбе заполняла бассейн. При отливе уровень воды со стороны моря понижался, но в бассейне вода задерживалась, так как отверстия в дамбе закрывались. Уровень воды в бассейне в это время был выше, чем в море, и вода из бассейна, устремляясь в море через отверстия в мельничном колесе, вращала его. Во время прилива затворы в отверстиях дамбы открывались и вода вновь наполняла бассейн. Разность уровней в море и в бассейне исчезала, и мельница переставала работать. С отливом начинался следующий цикл работы мельницы. Такой прерывистый ритм работы был допустим для примитивных сооружений далекого прошлого, которые выполняли простые, но полезные для своего времени функции.

Однако он малоприемлем для современного промышленного производства, поэтому энергию приливов попытались использовать для получения более удобной электрической энергии. Но для этого надо было создать на берегах океанов и морей приливные электростанции (ПЭС).

Однако создание их сопряжено с большими трудностями. Прежде всего они связаны с характером приливов, на которые влиять невозможно, гак как они зависят от астрономических причин, от особенностей очертаний берегов, рельефа дна и т.п. В одних районах полная и малая вода наступает один раз в сутки (суточный прилив). В других районах это происходит дважды в сутки (полусуточный прилив). Есть районы, где сроки наступления полной и малой воды смещаются (смешанный прилив). Кроме того, в течение семи дней, когда Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой, создается наибольший (сизигийный) прилив, а когда прямые, соединяющие Землю с Луной и Солнцем, образуют прямой угол, наступает наименьший (квадратурный) прилив. На одних участках побережья Мирового океана уровень воды во время прилива повышается на 15-18 м, на других его высота достигает лишь 10-20 см. Цикл приливов определяется лунными сутками, тогда как режим энергопотребления связан с производственной деятельностью и бытом людей и зависит от солнечных суток, которые короче лунных на 50 минут. Отсюда максимум и минимум приливной электроэнергии наступает в разное время, что очень неудобно для ее использования. И наконец, энергетическое значение имеют приливы, в результате которых разность уровней в полную и малую воду составляет 0,5 м. Это встречается далеко не везде и не всегда.

Несмотря на все эти трудности, люди настойчиво пытаются овладеть энергией морских приливов. К настоящему времени предложено около 300 различных технических проектов строительства ПЭС. Наиболее рациональным и экономически эффективным решением специалисты считают применение в ПЭС поворотно-лопастной (обратимой) турбины, идея которой впервые была предложена ещё советскими учеными.

Такие турбины — их называют погруженными или капсульными агрегатами — способны действовать не только как турбины на оба направления потока, но и как насосы для подкачки воды в бассейн. Это позволяет регулировать их эксплуатацию в зависимости от времени суток, высоты и фазы прилива, удаляясь от лунного ритма приливов и приближаясь к периодичности солнечного времени, по которому живут и работают люди. С помощью этих агрегатов вода подкачивается в бассейн и ночью, когда ПЭС может работать не на полную мощность, так как потребность в энергии невелика, а вода используется для производства электроэнергии в основном в часы «пиковых» нагрузок. Тем самым решается один из существенных экономических вопросов эксплуатации ПЭС: окупаются затраты на электроэнергию, питающую насосы.

Однако обратимые турбины не компенсируют уменьшение силы прилива от сизигии к квадратуре, что вызывает периодическое изменение мощности ПЭС и затрудняет ее эксплуатацию. Действительно, немалые сложности возникнут в работе территориальной энергосистемы, если в нее включена электростанция, мощность которой изменяется 3-4 раза в течение двух недель. Особенно неблагоприятны такие пульсации для электростанций больших мощностей.

Советские энергетики показали, что эту трудность можно преодолеть, если совместить работу приливных и речных электростанций, имеющих водохранилища многолетнего регулирования. Ведь энергия приливов непостоянна в течение суток и от суток к суткам, но в среднемесячных величинах она постоянна для любого месяца и года. Энергия рек колеблется по сезонам и из года в год. При спаренной работе ПЭС и ГЭС энергия моря придет на помощь ГЭС в маловодные сезоны и годы, а энергия рек заполнит межсуточные провалы в работе ПЭС.

Далеко не в любом районе земного шара есть условия для строительства гидроэлектростанций с водохранилищами многолетнего регулирования, поэтому с такими ГЭС рентабельно объединять приливные станции только большой мощности. Они должны входить в объединенные энергосистемы крупных районов, стран и даже континентов. Использование в едином комплексе приливных, речных, тепловых и атомных электростанций не только позволит увеличить выработку электроэнергии, но и обеспечит возможность наиболее эффективной работы станций последних двух видов. Это в свою очередь служит определенным экономическим обоснованием более высокой стоимости сооружения ПЭС по сравнению с ГЭС. Исследования показали, что передача приливной электроэнергии из прибрежной зоны в центральные части материков будет оправданной для некоторых районов Западной Европы, США, Канады, Южной Америки. В этих районах ПЭС можно объединить с ГЭС, уже имеющими большие водохранилища, или создать ГЭС. В таком комплексном инженерном (капсульные агрегаты) и природно-климатическом (объединенные энергосистемы) подходе лежит ключ к решению проблемы использования приливной энергии. В настоящее время началось практическое освоение энергии приливов, чему в немалой степени способствовали усилия ещё советских ученых, позволившие реализовать идею превращения приливной энергии в электрическую в промышленном масштабе.

Первая в мире промышленная ПЭС мощностью 240 тыс. кВт построена и введена в действие в 1967 г. во Франции. Она расположена на берегу Ла-Манша, в Бретани, в устье реки Ране, где величина, прилива (разность уровней в полную и малую воду) достигает 13,5 м. Ширина реки здесь 750 м. Плотина ПЭС пролегает между мысом Ла-Бреби на левом и мысом Бриангэ на правом берегу с опорой на островок Шалибер. В теле плотины находятся 24 капсульных агрегата мощностью по 10000 кВт каждый. Площадь бассейна — 22 км². Во время прилива в него поступает 184 млн. м³ воды. Почти вся мощность этой ПЭС вырабатывается в часы «пикового» потребления электроэнергии и достигает 544 млн. кВт-ч в год, но стоимость ее пока еще выше, чем на атомных электростанциях. Вместе с тем энергия в часы «пик» стоит здесь довольно дорого, что послужило одним из аспектов для обоснования сооружения ПЭС в этом районе Франции.

Многолетняя эксплуатация первенца приливной энергетики доказала реальность сооружения, выявила достоинства и недостатки (в частности, относительно небольшая мощность) таких станций. В связи с этим во многих странах созданы и продолжают разрабатываться новые проекты мощных и сверхмощных промышленных ПЭС. По определению специалистов, в 23 странах мира имеются подходящие районы для их строительства. Однако, несмотря на множество проектов, промышленные ПЭС еще не сооружаются.

Широкое развитие приливной энергетики в настоящее время помимо природных трудностей сдерживают серьезные экономические и социально-политические причины. Строительство ПЭС требует крупных первоначальных капиталовложений, что не всегда возможно осуществить. Рентабельны приливные станции мощностью 3-15 млн. кВт и выше в сочетании с электростанциями других типов, для чего требуются большие энергопотребляющие предприятия. Далеко не все страны располагают высокоразвитым энергоемким производством и достаточно мощными электростанциями, способными быть партнерами для ПЭС. Поэтому в рамках международного или межгосударственного сотрудничества предпринимаются попытки создать на правах долевого участия объединенные энергосистемы с включением в них ПЭС и совместно использовать их электроэнергию. Однако противоречия между капиталистическими странами затрудняют реализацию этих проектов. При всех достоинствах ПЭС (для них не требуется создания водохранилищ и затопления полезных территорий суши, их работа не загрязняет окружающую среду и т. п.) их доля практически неощутима в современном энергетическом балансе. Однако прогресс в освоении приливной энергии уже отчетливо выражен и в перспективе станет более значительным

Энергия волн океана

Энергия волн - это энергия, которая заключена в волнах на поверхности океана. Ее можно использовать для совершения механической работы, а следовательно - перекачки воды, добычи электроэнергии. Такой вид энергии является на 100% возобновляемым.

Мерой измерения мощности волновой энергии является кВт на погонный метр - кВт/м. Удельная мощность энергии волн в разы больше ветровой и солнечной энергии. Обычная средняя мощность волнения океанов составляет около 15 кВт/м. Мощность растет с ростом высоты волн и при 2 м может достигать 80 кВт/м. Конечно, всю энергию преобразовать в электричество невозможно, однако коэффициент преобразования выше, чем у воздуха, и может доходить до 85%.

Если сравнивать источники, то мощность энергии Солнца конечно же больше, чем мощность всех океанов. Однако удельная мощность генераторов, работающих на волнах, может быть в разы больше других альтернативных источников.

Несмотря на схожую природу процесса, энергию волны отличают от энергии океанических течений и приливов. В данный момент добыча энергии из волн находится только на стадии развития. Проводятся эксперименты и исследования в этой сфере.