Реферат. Приливные электростанции: энергия океана и экологические аспекты её использования

Физическая природа приливов и отливов

Под влиянием притяжения Луны и Солнца поверхность морей и океанов периодически поднимается и опускается — происходят приливы и отливы, при которых частицы воды совершают как вертикальные, так и горизонтальные движения. Наибольшие по высоте сизигийные приливы наблюдаются в дни новолуний и полнолуний, когда приливообразующие силы Луны и Солнца складываются; наименьшие, квадратурные, приходятся на первую и последнюю четверти лунного месяца. Между сизигиями и квадратурами амплитуды приливов могут изменяться в 2,7 раза. Вследствие изменения расстояния между Землёй и Луной приливообразующая сила Луны в течение месяца колеблется на 40 процентов, тогда как изменение приливообразующей силы Солнца за год составляет лишь 10 процентов; лунные приливы по силе превышают солнечные в 2,17 раза. Основной период приливов полусуточный, и именно такая периодичность преобладает в Мировом океане, хотя встречаются также суточные и смешанные приливы, характеристики которых меняются в течение месяца в зависимости от склонения Луны.

В открытом море подъём водной поверхности во время прилива обычно не превышает одного метра, однако в устьях рек, проливах и суживающихся заливах с извилистой береговой линией приливы достигают значительно большей величины. Мировой рекорд по-прежнему принадлежит заливу Фанди на Атлантическом побережье Канады, где уровень воды поднимается на 19,6 метра. В устье реки Северн, впадающей в Бристольский залив, высота прилива составляет 16,3 метра, на атлантическом побережье Франции у Гранвиля — 14,7 метра, в районе Сен-Мало — до 14 метров, а в Пенжинской губе Охотского моря — около 11 метров. Во внутренних морях приливы незначительны: в Финском заливе у Санкт-Петербурга величина прилива не превышает 4–5 сантиметров, в Чёрном море — доходит до 8 сантиметров. Когда время прохождения приливной волны по заливу совпадает с периодом колебаний приливообразующей силы, возникает резонанс, и амплитуда колебаний водной поверхности резко возрастает; подобное явление наблюдается, в частности, в Кандалакшском заливе Белого моря.

Поднятия и опускания уровня сопровождаются горизонтальными приливо-отливными течениями, скорость которых во время сизигий в два-три раза превышает квадратурную; в моменты наибольших скоростей такие течения называют «живой водой». В устьях рек приливная волна распространяется вверх по течению, уменьшая его скорость и порой меняя направление на противоположное: на Северной Двине действие прилива ощущается на расстоянии до 200 километров от устья, на Амазонке — до 1400 километров. На ряде рек приливное течение образует крутую волну высотой от двух до пяти метров, движущуюся вверх по реке со скоростью около семи метров в секунду, — это явление известно как бор. При отливах на пологих берегах дно может обнажаться на километры в ширину, чем издавна пользуются рыбаки Терского побережья Белого моря, устанавливая сети перед приливом и собирая улов после спада воды. Приливо-отливные течения распространяются на гораздо большие глубины, чем ветровые, что способствует перемешиванию воды и задерживает образование льда; зимой в северных широтах из-за трения приливной волны о нижнюю поверхность ледяного покрова приливы имеют меньшую высоту, чем летом.

Приливные явления имеют и планетарные последствия. Поскольку вращение Земли вокруг оси опережает движение Луны по орбите, в водной оболочке планеты возникает приливное трение, на преодоление которого расходуется энергия вращения: продолжительность земных суток увеличивается примерно на одну тысячную секунды за столетие, а Луна по законам небесной механики постепенно удаляется от Земли — на несколько сантиметров в год, что подтверждается лазерной локацией лунной поверхности. Сама Луна в далёком прошлом уже потеряла собственное вращение из-за приливного трения в твёрдой оболочке под действием земного притяжения и теперь обращена к Земле одной стороной. Именно это вечное, неиссякаемое движение водных масс, подпитываемое космическими силами тяготения, человечество научилось превращать в электрическую энергию.

Принципы устройства и работы приливных электростанций

Приливная электростанция, или ПЭС, — это разновидность гидроэлектростанции, использующая перепад уровней воды, возникающий между приливом и отливом. Классическая схема предполагает отделение прибрежного бассейна от моря плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе; затем вода выпускается через водоводы и вращает гидротурбины. Наиболее совершенные станции работают в двустороннем режиме: реверсивные гидроагрегаты вырабатывают энергию и при наполнении бассейна во время прилива, и при его опорожнении во время отлива. Для эффективной работы станции перепад уровней должен превышать четыре-пять метров, а береговая линия должна позволять отгородить достаточный по площади бассейн сравнительно короткой и невысокой плотиной, поэтому подходящих мест на планете немного — примерно полторы сотни перспективных створов на побережьях Мирового океана.

Существенное отличие приливной энергии от речной гидроэнергии заключается в её исключительной предсказуемости и стабильности: средняя величина приливной энергии практически не меняется от сезона к сезону и от года к году, не зависит от водности года и не требует топлива. Режим выработки подчинён лунному календарю и известен на много лет вперёд с точностью до минут, что выгодно отличает ПЭС от ветровых и солнечных станций, зависящих от погоды. ПЭС способны работать в энергосистеме как в базовой, так и в пиковой части графика нагрузок, а паузы в выработке между приливом и отливом компенсируются совместной работой со станциями других типов или накопителями энергии. Общий технически освоимый потенциал приливной энергетики мира оценивается примерно в один миллиард киловатт установленной мощности, или около двух триллионов киловатт-часов годовой выработки, при этом на долю России приходится порядка 250 миллиардов киловатт-часов в год.

Энергия приливов используется человеком давно: ещё в шестнадцатом-семнадцатом веках приливные мельницы работали в небольших бухтах и узких проливах Европы, позднее приливную энергию применяли для привода насосных установок и при гидростроительных работах. Первая экспериментальная ПЭС была сооружена ещё в 1913 году в бухте Ди в районе Ливерпуля, однако настоящей вехой стала введённая в строй в 1966 году французская станция Ля-Ранс в эстуарии реки Ранс в Бретани. Её плотина длиной около 800 метров одновременно служит автодорожным мостом между Сен-Мало и Динаром, а 24 капсульных реверсивных гидроагрегата общей мощностью 240 мегаватт ежегодно вырабатывают около 540 миллионов киловатт-часов, обеспечивая электричеством примерно 130 тысяч домашних хозяйств. Почти шесть десятилетий безаварийной эксплуатации Ля-Ранс доказали, что себестоимость приливной электроэнергии после окупаемости строительства становится одной из самых низких в энергосистеме.

Приливная энергетика мира сегодня

С 2011 года крупнейшей приливной электростанцией планеты является южнокорейская ПЭС Сихва мощностью 254 мегаватта. Она встроена в морскую дамбу длиной 12,5 километра, возведённую ещё в 1994 году для защиты от наводнений и нужд сельского хозяйства, и работает по односторонней схеме: десять погружных капсульных турбин по 25,4 мегаватта вырабатывают энергию при наполнении бассейна площадью около 30 квадратных километров во время прилива. Примечательно, что станция решила и экологическую задачу: водоём за дамбой к началу двухтысячных годов сильно загрязнился, и восстановленный турбинами водообмен с морем заметно улучшил качество воды. В Канаде действовавшая с 1984 года ПЭС Аннаполис мощностью 20 мегаватт была остановлена в 2019 году из-за износа оборудования и окончательно выведена из проектов, что напоминает: экономика приливных станций существенно зависит от надёжности гидроагрегатов. В Китае работает несколько небольших станций, крупнейшая из которых — Цзянься мощностью около четырёх мегаватт, действующая с 1985 года.

Общая установленная мощность мировой океанической энергетики по итогам последних лет составляет лишь немногим более 500 мегаватт, причём подавляющая часть приходится на две классические приливные станции — Ля-Ранс и Сихву. Поскольку подходящие для плотинных ПЭС места ограничены, центр тяжести разработок сместился к приливно-течевым установкам — так называемым «подводным ветрякам», извлекающим энергию из горизонтальных приливных течений без строительства плотин. Крупнейшим проектом такого рода остаётся шотландский массив МейДжен в проливе Пентленд-Ферт: его первая очередь из четырёх турбин по 1,5 мегаватта работает с 2018 года и уже выработала десятки миллионов киловатт-часов, а разрешённая к сооружению мощность площадки составляет 86 мегаватт с перспективой расширения почти до 400 мегаватт. Правительственные конкурсные отборы в Великобритании обеспечили контрактами портфель приливных проектов общей мощностью свыше 120 мегаватт с вводом до конца текущего десятилетия, а активные программы развиваются также в Канаде, Соединённых Штатах и Китае.

Приливная энергетика России: опыт и перспективы

Единственная российская приливная электростанция — экспериментальная Кислогубская ПЭС в Кислой губе Баренцева моря вблизи Мурманска — дала ток в конце 1968 года. При её строительстве впервые в мире был применён наплавной способ: железобетонное здание станции целиком собрали в доке под Мурманском, отбуксировали по морю к месту установки и погрузили на подготовленное основание без возведения перемычек, что снизило стоимость работ на четверть-треть и минимизировало нагрузку на прибрежную территорию. Первоначальная мощность станции составляла 400 киловатт; после установки в двухтысячные годы отечественного ортогонального гидроагрегата, рабочее колесо которого не меняет направления вращения при смене прилива на отлив, она выросла до 1,7 мегаватта. Станция носит статус опытной, охраняется как памятник науки и техники и за более чем полувековую историю стала уникальной полярной научной базой: в условиях, где температура воздуха зимой опускается ниже минус сорока градусов, а конструкции испытывают сотни циклов замораживания и оттаивания в год, здесь десятилетиями исследуются морские строительные материалы, антикоррозионные технологии и поведение гидротехнических сооружений в Заполярье.

На основе кислогубского опыта в России проработаны проекты крупных ПЭС: Мезенской на Белом море мощностью порядка 8–11 гигаватт, Тугурской на Охотском море мощностью около 8 гигаватт и гигантской Пенжинской в Пенжинской губе, потенциал которой оценивается в десятки гигаватт. По расчётам, только Мезенская ПЭС способна была бы ежегодно предотвращать выброс около 18 миллионов тонн углекислого газа, замещая генерацию на ископаемом топливе. Реализация этих проектов пока сдерживается огромными капитальными вложениями, удалённостью площадок от центров потребления и необходимостью строительства протяжённых линий электропередачи; планировавшаяся как следующий шаг Северная ПЭС в Мурманской области так и осталась на стадии проектирования. Тем не менее отечественная школа приливной энергетики, насчитывающая более шести десятилетий, сохраняет научный и инженерный задел, который может быть востребован по мере роста тарифов на традиционную генерацию и ужесточения климатических обязательств.

Экологические аспекты приливных электростанций

Многолетние натурные наблюдения на Кислогубской ПЭС и Ля-Ранс позволяют считать приливные станции одним из наиболее экологически чистых способов крупномасштабной генерации. В отличие от тепловых электростанций, ПЭС не выбрасывают в атмосферу парниковые газы, золу и сажу, не требуют добычи, транспортировки и сжигания топлива; в отличие от атомных станций, они не несут радиационных рисков; в отличие от равнинных ГЭС, они не затапливают ценные земли и не создают угрозы катастрофической волны прорыва. Плотины современных ПЭС проектируются биологически проницаемыми: рыба проходит через водоводы и малоборотные ортогональные турбины практически без повреждений, что подтверждено многолетними ихтиологическими исследованиями; гибель планктона на ПЭС оценивается в 5–10 процентов против 80–99 процентов на классических ГЭС. Снижение солёности воды в бассейне станции составляет сотые доли процента и практически неощутимо для морской фауны, ледовый режим смягчается, торосы исчезают, размыв дна и движение наносов стабилизируются в течение первых лет эксплуатации.

Вместе с тем опыт показывает, что экологическая безопасность ПЭС не является автоматической и требует грамотной эксплуатации. На Кислогубской станции в период строительства, когда створ залива был надолго перекрыт и водообмен с морем упал до нескольких процентов от естественного, произошло опреснение бассейна и массовая гибель морской биоты; экосистема восстановилась лишь после пуска турбин и нормализации водообмена, а в годы консервации станции водоводы специально держали открытыми для свободного пропуска воды. В эстуарии Ранс после сооружения плотины также отмечались усиление заиливания и перестройка биоценозов. Эти уроки учитываются в современных проектах: предусматриваются расширенные водопропускные сооружения, гарантированный санитарный пропуск воды, постоянный геоэкологический мониторинг, а приливно-течевые установки нового поколения вообще обходятся без плотин и не нарушают гидрологический режим акваторий. Именно сочетание возобновляемости, предсказуемости и минимального воздействия на среду позволяет рассматривать энергию приливов как перспективную составляющую устойчивой энергетики будущего, особенно для островных территорий и стран с протяжённой береговой линией.

Экономика и социальное значение

Главный сдерживающий фактор развития приливной энергетики — высокие первоначальные капитальные затраты на морские гидротехнические сооружения, сопоставимые по трудоёмкости со строительством крупных ГЭС. Однако наплавная технология возведения, апробированная в России, позволяет сократить расходы на треть, а массовое производство унифицированных гидроагрегатов способно дополнительно удешевить станции. После окупаемости строительства экономика меняется радикально: топливная составляющая себестоимости равна нулю, срок службы сооружений исчисляется многими десятилетиями, и, как показала более чем полувековая эксплуатация станции Ля-Ранс, приливная электроэнергия становится одной из самых дешёвых в энергосистеме. По оценкам специалистов, полное освоение приливного потенциала побережий способно покрыть до 15–20 процентов потребности в электроэнергии в благоприятных прибрежных регионах.

Социальное значение ПЭС выходит за рамки энергетики. Плотины станций служат автомобильными и пешеходными мостами, улучшая транспортную связность прибрежных районов, как это произошло на Ля-Ранс и Сихве. Водоёмы за дамбами защищены от штормовых нагонов, климат на прилегающих территориях немного смягчается, а увеличение биомассы морепродуктов в бассейнах открывает возможности для развития марикультуры и аквакультуры. ПЭС не оказывают вредного воздействия на здоровье человека, не создают радиационных и химических рисков, а воздействие на них катастрофических природных явлений или военных действий не угрожает населению соседних районов, поскольку разрушение невысокой приливной плотины не способно вызвать разрушительную волну. Наконец, сами станции становятся объектами промышленного туризма. Всё это позволяет считать приливную энергетику, при должном учёте экологических требований, важным элементом грядущего перехода человечества к устойчивой и безопасной системе энергоснабжения.