Роль альтернативных источников энергии все больше возрастает. А развитие приливной гидроэнергетики является как никогда актуальным. Приливная энергия — это единственная гарантированная энергия нашей планеты в течение всего периода использования, так как ее гарантом являются неизменяемые в обозримом будущем космические силы.
Дело в том, что под воздействием гравитации Луны и немного гравитации Солнца в океанах и морях возбуждаются приливы. Они проявляются в периодических колебаниях уровня воды и в ее горизонтальном перемещении (приливные течения). Вообще, в зависимости от положения конкретного места на Земле, формы береговой линии и рельефа дна, уровень воды во время прилива может подниматься на высоту от нескольких сантиметров во внутриматериковых морях до многих метров во внешних. Наивысший на планете прилив — 16,2 метра — отмечен в канадском заливе Фанди.
Фото: Tttrung / Wikimedia Commons. Залив Фанди во время прилива и отлива
В России наивысшие приливы фиксируются в Мезенском заливе Белого моря (9-10 м), относящемся к Арктической зоне РФ, и в Пенжинской губе Охотского моря (12,9 м).
Фото: Гриниум. Белое море, отлив
В соответствии с этим энергия приливов складывается из потенциальной энергии воды, выведенной из положения равновесия, и из кинетической энергии движущейся воды. При преобразовании энергии волн эффективность выработки электроэнергии может значительно превышать прочие альтернативные преобразования, такие как генерация на ветряных и солнечных электростанциях, достигая коэффициента полезного использования в 85%. Суммарная мощность волн Мирового Океана оценивается в 10 ТВт, что является достаточным для увеличения вдвое производства электроэнергии в мире альтернативной электроэнергетики.
Таким образом, колоссальные энергетические мощности океанов и морей представляют собой очень большую природную ценность для человека. И конечно люди с давних времен стремились овладеть этой энергией. 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.
В России приливные мельницы действовали в XVII веке в монастыре на Соловецких островах.
Однако покорить энергию приливов оказалось весьма непросто. Главным препятствием для создания приливных электростанций (ПЭС) являлись суточная и месячная неравномерности выработки энергии, которые пытались сгладить с помощью схем деления бассейнов. Но во всех этих схемах стоимость сооружения самой ПЭС и вырабатываемой на ней электроэнергии оказывалась значительно выше, чем стоимость на сопоставимых ТЭС и ГЭС.
Первая в мире промышленная ПЭС мощностью 240 тысяч кВт построена и введена в действие в 1967 году во Франции. Она расположена на берегу Ла-Манша, в Бретани, в устье реки Ране, где величина прилива достигает 13,5 м. Ширина реки здесь 750 м. 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.
В России электростанция, работающая на энергии морских приливов и отливов, была запущена в 1968 году. Расположена она в Мурманской области, где Кольский полуостров омывается Баренцевым морем, на берегу залива Кислая губа.
Кислогубская приливная электростанция — объект экспериментальный, и о возможности её создания в СССР задумались ещё в 1930-х годах. Ее мощность при строительстве составила 0,4 МВт, а когда в 2007 году отечественный гидроагрегат все же поставили во второй водовод, она выросла до 1,7 МВт. В мире энергетики это совсем малый вклад. Зато прямо на станции находится научная база Полярного Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии. За годы своей работы электростанция дала обилие информации для ученых.
Также советская ПЭС получилась более удачной в плане влияния на окружающую среду. Она выигрывает даже у других приливных электростанций из разных стран мира, не говоря уже о ГЭС или станциях других типов. Так, после постройки французской ПЭС на реке Ранс в устье, отгороженном плотиной, исчезла морская фауна (камбала и угорь), и усилилось заиливание. Также и другие важные виды водной фауны — морской окунь и каракатица — сначала было резко сократились в количестве, но потом вернулись в реку. И до сих пор владельцы электростанции ищут возможности сократить экологический ущерб от станции.
С начала XXI века в мире начали разрабатываться наиболее крупные по своей мощности проекты ПЭС по расположению створов с наибольшей величиной приливов и на принципиально новых глубинах в 30-40 м. Сейчас окружающая среда установки варьируется от районов с сильными океанскими течениями до эстуариев и приливных рек. Приливная плотина напоминает небольшую дамбу с двумя шлюзами (водоспусками), которые могут открываться и закрываться, позволяя воде перетекать из одного бассейна в другой за счет разницы высот.
Это течение приводит в действие турбину, подсоединенную к электрогенератору. Во время прилива бассейн наполняется через большой канал до тех пор, пока прилив не достигнет наивысшей точки (гребня). В это время шлюзы закрыты, и турбина не работает. В апогей прилива уровень воды в бассейне соответствует уровню моря вне бассейна. С началом отлива уровень моря понижается, и бассейн начинает работать как резервуар: шлюзы открываются, и вода проходит сквозь турбину, приводящую генератор в действие. В максимальной точке отлива вода все еще продолжает поступать через турбину, но вскоре уровень воды в океане повышается (начинается новый прилив), и уровни воды в океане и бассейне выравниваются. Шлюзы вновь закрываются, турбина останавливается, и бассейн снова наполняется с приливом.
Другая модель электростанции позволяет использовать энергию как прилива, так и отлива. Для этого сооружаются два бассейна: в одном из них уровень воды всегда выше уровня моря, в другом — всегда ниже. В идеальном случае приливная станция эксплуатирует две работающие попеременно системы. Турбины, установленные в них, направлены в противоположные стороны.
Помимо указанных существует и другой тип приливных станций — без бассейнов и плотин. Это подвешенные на вертикальных стойках подводные пропеллеры, вращаемые морским течением. Их конструкция проста, но и мощность таких установок невелика.
В апреле 2021 года Шотландская компания Orbital Marine Power запустила самую мощную плавучую приливную электростанцию (О2) совокупной мощностью 2 МВт. Местом дислокации был выбран один из проливов среди Оркнейских островов на севере Шотландии, где конструкция будет подключена в сети Европейского центра морской энергетики (EMEC). Конструкция О2 напоминает футуристический космический самолет, однако, технически предельно проста — центральным элементом является плавающая платформа, к которой крепятся два крыла, мощностью 1 МВт каждое, оснащенные на концах двухлопастными турбинами.
В зависимости от задачи устанавливают разное количество турбин, для более крупного энергетического проекта соединяют даже ряды. Этот взаимосвязанный ряд турбин называется массивом, и его работа очень похожа на работу плотин гидроэлектростанций. В системе используются конструкции, похожие на плотины, и подводные ворота, позволяющие контролировать уровень воды и направлять воду через турбины.
Согласно отчету Всемирного энергетического совета, затраты на энергию приливов от двух до девяти раз выше, чем энергия ветра в Европе. Но, несмотря на это, в 2021 году Министерство энергетики США объявило, что собирается инвестировать 27 миллионов долларов в поддержку исследований и разработок в области приливной и волновой энергетики. При этом около 70 компаний по всему мир занимаются разработкой технологий получения электроэнергии из приливов и отливов. Все больше компаний изучают методы производства электроэнергии из солености и температуры океана. В некоторых странах процветает приливная энергетика.
Приливная энергия может быть важным источником возобновляемой энергии, и, используя ее в тандеме с другими формами энергии, можно использовать энергетические ресурсы с максимальной эффективностью.
Фото: Arne Müseler / Wikimedia Commons. Сихвинская ПЭСФото: Raccoon Dog / Wikimedia Commons. Сихвинская ПЭС
В настоящий момент крупнейшей в мире приливной электростанцией является Сихвинская ПЭС, расположенная в искусственном заливе Сихва на северо-западном побережье Южной Кореи. Электростанция была запущена в августе 2011 года и обладает установленной мощностью 254 МВт, оттеснив на второе место многолетнего лидера — французскую приливную электростанцию Ранс. Электроэнергией Сихвиньской ПЭС пользуются чуть более 500 тысяч жителей окрестностей Ансана и Сихына.
Москва
