Энергия океана: перспективы развития

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 они 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.

4. 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.

5. Проблемы использования 

Энергетические ресурсы Мирового океана ассоциируются не только с  углеводородным сырьем, добываемым в  больших количествах на шельфе, но и с возобновляемыми энергоносителями. Пока энергия Океана лишь в очень малой степени поставлена на службу человеку, что придает данной проблеме глобальное звучание (см. также тему «Энергетическая проблема»).

С учетом того обстоятельства, что  энергия приливов (потенциал приливной энергии Мирового океана оценивается в несколько миллиардов киловатт) в 2000 раз превышает годовой запас энергии всех рек мира, данное направление в развитии мировой энергетики особенно перспективно.

К сожалению, этого нельзя сказать  о других направлениях. Так, постоянным возобновляемым ресурсом является кинетическая энергия волн. Разумеется, она размещена далеко неравномерно по акватории Океана, однако в некоторых местах на шельфе, где возможно гидростроительство, она достигает высокой концентрации. Первые промышленные волновые электростанции небольшой мощности уже сооружены в Норвегии, Японии, Индии. Чаще всего с помощью энергии морских волн приводятся в действие электрогенераторы, устанавливаемые на плавучих маяках. Несмотря на высокие стоимостные затраты, целесообразность создания волновых станций определяется конкретными географическими условиями, наличием или отсутствием альтернативных источников, плотностью приходящей энергии и т. д. 
Еще одним из направлений в развитии энергетики Океана в перспективе может стать строительство электростанций, использующих энергию течений. Результаты гидрологических исследований свидетельствуют, что лишь Гольфстрим в наиболее мощной своей части (38° с. ш.) переносит ежесекундно 82 млн м3 воды, а в течение года — 250 тыс. км3, что в 6,5 раза больше годового стока вод со всей поверхности суши. Конечно, проекты установки в толще Гольфстрима турбин большого диаметра для получения электрической энергии сегодня кажутся нереальными, однако не исключено, что по мере обострения энергетической ситуации в мире к таким проектам еще вернутся. Главные лимитирующие факторы широкого использования энергии течений сегодня — чрезвычайно низкий коэффициент полезного действия существующих преобразователей этого вида энергии (всего 0,5—10%), колоссальные затраты на гигантские турбины, нерешенность многих чисто технических вопросов. 
Прямое отношение к проблеме использования энергии Океана имеет утилизация термической энергии акваторий. Солнечное тепло, как известно, аккумулируется в верхних слоях Океана, в то время как нижние сохраняют достаточно низкие температуры. Вследствие этого создаются значительные различия температуры поверхностных и глубоко лежащих вод. В тропических широтах температура воды на поверхности достигает почти 30°, а на глубине 0,5 км — всего 8—10°. Таким образом, амплитуда температуры составляет примерно 20°.