Труд: Прилив сил

Главная Жизнь 04:50 29 Июля 2011 4129

Прилив сил

Альтернативная энергетика использует природные силы Земли. И воды

Напечатать

С одной стороны, атомная энергетика всегда пугала человека. Со временем страхи, несмотря на заверения атомщиков, не только не уменьшаются, а все более растут. С другой стороны, всем понятно, что комфорт и удобство жизни на Земле прямо зависит от того, насколько дорого нам будет обходиться электроэнергия. В конце концов, все наши цены всегда начинаются с цен на энергоресурсы. Ведь если вдуматься, то что такое коммунизм? Так вот: нормальный коммунизм есть демократическая власть плюс бесплатная электроэнергия для всей России. Но бывает ли она бесплатной?

О том, что уровень воды в больших водоемах изменяется несколько раз в день, люди знали уже давно. Океанские и морские приливы и отливы были всегда настолько обычным явлением, что человечество даже не особенно задумывалось об их причинах. Хотя, конечно, не все человечество. В IV веке до Рождества Христова греческий купец и географ Пифей, первым описавший полярный день, северное сияние и вечные льды, заметил, что изменение уровня воды в океане зависит от движения по небу основных светил — Луны и Солнца. В начале первого века до Рождества его наблюдения развил в своих трудах учитель Цицерона Посидоний.

Вскоре после наступления нашей эры труды Посидония были на некоторое время успешно забыты, и первые приливные мельницы строились без их учета. Самые древние из известных нам, по косвенным данным, работали на реке Флит, в районе современного Лондона, еще во времена Римской империи. Самая старая из тех, остатки которых удалось раскопать археологам, относится к концу VIII века. Это небольшая мельничка при основанном святым Патриком монастыре Nendrum (Странгфорд-Лох, Северная Ирландия). Устроена она была чрезвычайно просто. Во время прилива вода через открытые воротца заполняла небольшой бассейн. Когда прилив сменялся отливом, ворота закрывались и вода из бассейна спускалась через специальное сливное отверстие, под которым находилось закрепленное горизонтально колесо с мельничными лопастями. Поток воды вращал лопасти, и это вращение передавалось уже на рабочие жернова, диаметр которых составлял примерно 83 см. Нехитрая установка развивала мощность чуть меньше одной лошадиной силы и позволяла перемалывать до 4 тонн муки за сутки.

Небесный тягач

Научная теория приливов появилась лишь в 1687 году. И создал ее, как и следовало ожидать, отец теории всемирного тяготения сэр Исаак Ньютон.

Основными «виновниками», как люди верно догадывались, оказались Солнце и Луна. Своим притяжением они «подсасывают» земной водяной покров. Причем если Солнце вызывает в сутки лишь один прилив, то Луна отвечает за два. Один происходит, что называется, прямо под Луной, второй — на противоположной стороне планеты. Секрет этого второго, парадоксального (ведь, на первый взгляд, на противоположной приливу стороне должен быть как раз отлив), заключается в том, что на самом деле не Луна вращается вокруг Земли, а и Луна, и Земля вместе вращаются вокруг одного центра масс. Центр этот отстоит от центра Земли примерно на 5000 км, притом что вообще радиус всей планеты составляет примерно 6300 км. При вращении вокруг этого центра воды Мирового океана естественным образом под действием центробежной силы скатываются на сторону, противоположную «подлунной».

Лунные приливы почти в 2,5 раза мощнее солнечных. Солнечное притяжение распространяется на всю освещенную сторону планеты почти равномерно, притягивая воду везде помаленьку. Луна же притягивает ближний к ней участок значительно сильнее, чем отдаленные, образуя на водной поверхности горб. В открытом море он невысок, не более одного метра. Но по мере приближения к суше высота его многократно увеличивается. Тут, как в случае с цунами, низенькая, но в много сотен километров волна, упираясь в сушу и набегая сама на себя, постепенно растет. Наиболее интенсивен этот рост в узких местах побережий — в проливах, сужающихся заливах, в устьях рек. Доходит до того, что некоторые реки во время мощных приливов меняют направление своего течения на противоположное. На Северной Двине действие приливов в виде замедления течения ощущается за 200 км от устья, а на Амазонке — на расстоянии до 1400.

Удачное стечение обстоятельств получается тогда, когда лунный прилив совпадает с солнечным. Такой прилив называется сизигийным, поскольку происходит в дни сизигий — новолуний и полнолуний. Прямая противоположность сизигийным — квадратурные (происходящие в дни квадратур — первой и последней четверти нашего спутника) приливы. Здесь Луна и Солнце располагаются по отношению к Земле под прямым углом, так что они не просто не помогают, а мешают друг другу, оттягивая на себя чужие порции воды. В результате вода во время сизигийных приливов поднимается на высоту в 2,7 раза большую, чем во время приливов квадратурных.

Чтобы создавать «большую воду», как часто называют приливы, Луна своими приливными волнами еще и тормозит Землю. Их трение о дно замедляет скорость вращения планеты примерно на 0,002 секунды за столетие. Когда-нибудь, через несколько миллиардов лет, скорость вращения Земли упадет до той скорости, с которой Луна вращается вокруг нас. Сутки к тому времени увеличатся до 160 часов, в году их будет 55, а приливные процессы, по крайней мере лунные, прекратятся.

Лунный киловатт

Но пока это не произошло, человек может эти процессы использовать. Глупо этого не делать, учитывая их мощность, которая, по расчетам, составляет 2,5 ТВт. Для сравнения — потенциальная мощность всех земных рек чуть превышает 850 МВт, а суммарная мощность всех действующих гидроэлектростанций на 2005 год была равна примерно 750 МВт.

Идея построить работающую на энергии приливов электростанцию (ПЭС) в устье реки Ранс (провинция Бретань, Франция) пришла в голову инженеру Жерару Буасноэ еще в 1921 году. Место было для этого как нельзя более подходящим. Даже в самые плохие дни вода здесь стабильно дважды в сутки поднималась на 8 м, а в хорошие высота прилива достигала 13,5 м. Но путь от идеи до ее воплощения оказался долгим. Только в 1943 году Общество по изучению использования приливов провело необходимые исследования и составило техническое обоснование проекта. Сами же работы по строительству начались только в 1961 году.

Два года ушло на осушение строительной площадки. 20 июля 1963 года, когда будущий бассейн ПЭС был надежно заблокирован двумя мощными дамбами, состоялась церемония закладки первого камня в фундамент. А 26 ноября 1966 года построенную ПЭС открыл не кто-нибудь, а лично президент Франции генерал Шарль де Голль. Открывать было что. Плотина общей длиной почти 800 метров отгораживала приливной бассейн, общей площадью 22,5 км. Собственно на электростанцию у плотины отводилось 332,5 м. На этом участке было смонтировано 24 турбины общей мощностью 240 МВт. Сейчас эта станция — крупнейшая в Бретани. На ней производится около 60% электроэнергии провинции. Станция во Франции была построена, начало приливной энергетике было положено, и на этом дело остановилось. Почти.

В России первые приливные мельницы были построены на Белом и Баренцевом морях еще в XVII веке. Приливы здесь поднимают воду на высоту до 10 м. И когда в начале 1960-х годов руководство СССР узнало, что французы строят первую ПЭС, вопрос о том, в каком месте показать им, у кого приоритет больше, решился моментально. Наш ответ капиталистам решено было дать в Баренцевом море в Кислой Губе, недалеко от поселка Ура-Губа. Место было будто специально для этого создано природой: естественный залив площадью более 1 млн. м, глубина — около 35 м, узкое, всего 40 м, горло залива. Единственным, но существенным минусом площадки было то, что располагалась она довольно далеко от других промышленных и строительных объектов. Да и дорог к ней нормальных подведено не было. Короче, ни проехать ни пройти. Не то что во Франции.

Для того чтобы ускорить темпы строительства, наши конструкторы, руководил которыми известный советский ученый Лев Бернштейн, придумали способ строительства, который сейчас называется наплавным и используется почти везде, где требуется возвести какое-нибудь крупное водное или подводное сооружение. А именно: здание размером 36 на 18,5 м и высотой 15,35 м, которое одновременно являлось и плотиной, было построено не в Кислой Губе, а в строительном доке на мысе Притыка, рядом с Мурманском. А после постройки его, вместе с уже смонтированным в нем оборудованием, вывели из дока и вплавь отбуксировали по месту службы. Где установили на выровненное и подготовленное к этому дно.

Но, несмотря на такое ноу-хау, французы все равно опережали наших гидростроителей. Когда стало понятно, что перегнать их не удастся, советские чиновники, дабы минимизировать издержки, оперативно объявили проект «технической ересью», подлежащей немедленной заморозке. Стройка застыла на год, и лишь публикация в газете «Известия» статьи «Наказанная проблема» заставила их отказаться от своих претензий и дать денег на завершение объекта. Открыли станцию в 1968 году. На ней были установлены два гидроагрегата общей мощностью 400 кВт.

Конечно, 400 кВт — это даже для конца 1960-х было не бог весть что. Но станция эта принесла миру никак не меньше пользы, чем ее сестра на Рансе. Потому что именно она стала одной из основных мировых экспериментальных площадок по отработке новых, связанных с приливной энергетикой технологий.

Одно из последних связанных с нею ноу-хау — разработка новой ортогональной турбины, работающей при любом направлении потока. Одним из минусов турбин на приливных электростанциях было то, что между приливами и отливами их приходилось останавливать, для того чтобы повернуть лопасти. Только в этом случае они вращались и при приливе, и при отливе в одном направлении. Такие остановки через каждые 5–6 часов приводили к тому, что ПЭС могли использоваться только как резервные электростанции в больших энергосетях. Подумайте сами, понравилось бы вам жить в таком режиме: пять часов в вашем доме электричество присутствует, потом оно выключается и только через без малого час включается опять.

Ортогональную турбину приблизительно можно представить как разрезанную на две половинки бочку. Каждая половинка закреплена на оси строго напротив другой. Если поместить такие бочки в поток воды, он одну бочку будет омывать по внешней стороне, а другой задувать во внутреннюю, толкая ее вперед. Соответственно, вся конструкция при любом направлении потока будет вращаться в одну сторону, внешней стороной вперед. Такие турбины уже давно использовали в ветряной энергетике, но для приливной они оказались приспособлены плохо. Разработанные в середине 1980-х годов в Канаде и Японии прототипы выдавали низкий, 40-процентный КПД. Капиталисты отчаялись произвести на их основе что-то стоящее и забыли об идее. Разворачивать лопасти им показалось легче. Зато от идеи не отказались наши ученые. В результате за 11 лет они разработали горизонтальную турбину, которая в зависимости от диаметра КПД выдавала КПД от 60 до 75%. Установив такой агрегат диаметром 2,5 м на Кислогубской ПЭС, конструкторы увеличили ее выходную мощность с 400 до 580 кВт.

Больше, лучше, красивее

Но все-таки дело освоения дешевой энергии приливов оказалось настолько дорогим, что следующая промышленная ПЭС была открыта только в сентябре 1984 года. На этот раз на приливы польстилась Канада. Свою 20 мегаваттную станцию она построила в устье реки Аннаполис, на острове Хогс. Амплитуда приливов тут колеблется от 4,4 до 8,7 м.

И снова затишье на долгие два десятилетия.

Какая-то активизация началась только в начале нового тысячелетия. В сентябре 2003 года 300-киловаттная ПЭС была запущена в Норвегии. Представители соорудившей ее компании Hammerfest Stroem заявили, что если постройка себя оправдает, они готовы развернуть массовое строительство приливных станций.

А чуть раньше, в июне того же года, опытную турбину мощностью 300 кВт на Девонском побережье Великобритании установила компания Marine Current Turbines (MCT — «Турбины морского течения»). Впрочем, Девонская ПЭС в корне отличается от своих предшественниц. Прежде всего тем, что у нее отсутствует плотина и отгораживаемый ею приливной бассейн. В сущности это обычный «ветряк», только опущенный под воду. Такой способ получения приливной энергии еще в 1960-х годах предлагал использовать советский ученый, доктор технических наук Б. С. Блинов. Он называл такие гидроэлектростанции, в отличие от классических плотинных (гравитационных), свободно-поточными. Вращается пропеллер относительно медленно, за минуту он совершает всего 20 оборотов, а это значит, что протесты «зеленых», утверждающих, что ПЭС представляют опасность для местной фауны, мягко говоря, несколько преувеличены.

Протестировав свое детище на девонских берегах, компания уже в августе этого года поставила еще одну станцию у берегов Северной Ирландии, в зоне действия приливного течения залива Странгфорд Лох. Новая ПЭС получила название SeaGen («Морской генератор»). Тут уже на одной подводной башне закреплены две турбины, диаметром 16 м каждая, лопасти которых вращаются еще медленнее, делая всего 14 оборотов в минуту, но энергии при этом производится значительно больше, чем на девонской предшественнице. При необходимости, например при поломке, башня может «раздвигаться» как подзорная труба, поднимая турбины над водой. Пока что станция работает в тестовом режиме, в восьмую часть силы, однако уже в ноябре она должна выдать 1,2 МВт. Со временем MCT планирует застроить своими «приливниками» все побережье Великобритании и «выкачать» из него не менее 10 ГВт.

Недавно о своем желании получить что-то от приливов заявила Южная Корея. Тамошняя корпорация Korea Water Resources (KOWACO — «Корейские водные ресурсы») уже приступила к строительству самой мощной в мире на сегодняшний день приливной электростанции Sihva Lake Tidal Power Plant (Приливная электростанция на озере Сихва). Озеро Сихва, на котором ведется строительство, расположено в 40 км от Сеула. По сути, это даже не озеро, а морской залив, отгороженный от Желтого моря дамбой. Приливы здесь достигают высоты 9 м.

В соответствии с инвестпроектом РАО «ЕЭС России» на Белом море планируется начать подготовительные работы по строительству Мезенской ПЭС. Площадь отсекаемого для нее бассейна составит 2640 км². Предполагаемая мощность составит от 11 до 19 ГВт, в зависимости от того, какие агрегаты будут установлены. Общая протяженность плотины по проекту равна 53,2 км. Сооружаться она будет уже описанным наплавным способом на глубине до 10 м. Вырабатываемые станцией в год 40 млрд. кВт-ч будут поступать в объединенную энергосистему «ЕЭС России» и экспортироваться в Европу. Стоимость проекта оценивается в 12,2 млрд. долларов, или 1072 доллара за кВт (при мощности 11,4 ГВт). Для сравнения: последние из крупных построенных у нас ГЭС, Гулюйская и Средне-Учурская, стоили, соответственно 1587 и 1316 долларов за кВт/ч. Расчетная стоимость электроэнергии, получаемой от Мезенской ПЭС — в два раза меньше, чем на Гилюе: 31 цент за кВт-ч против 63 центов. Вообще при длительном использовании ПЭС ее энергия получается самой дешевой из возможных.

Но и Мезенская ПЭС, если сравнить ее с другим российским проектом, Пенжинской ПЭС, выглядит почти игрушкой. Спроектированная для района Пенжинской губы в Охотском море, где приливы достигают рекордных для Тихого океана 12,9 м, при площади бассейна 20 500 км², она могла бы выдавать 87 ГВт мощности. Ни один проект в мире даже не приближается к такому показателю. Но это все большие, капитальные сооружения. А в июне 2006 года двое ученых из английского университета Саутгемптона Стив Тернок и Сулейман Абу-Шарх разработали портативный приливной генератор. Так сказать, для личного пользования. Внешне он напоминает небольшую самолетную турбинку диаметром 25 см. Основное преимущество турбинки — простота и дешевизна. Разработчики обещают вскоре наладить промышленное производство таких турбинок, чтобы каждый житель Земли, живущий недалеко от приливных мест, смог бы запитать от океана, моря или речки свои телевизоры, компьютеры или электробритвы.

Это ли не мечта человечества?

Справка

Приливная энергетика в экологическом плане является одной из самых чистых. В отличие от ТЭС, приливные станции не выбрасывают в атмосферу никакую гадость вроде углекислого газа, серы или золы. В отличие от ГЭС, при постройке ПЭС не нужно затоплять земли. Кроме того, нет опасности рукотворного речного цунами при прорыве плотины. В отличие от АЭС, даже в случае самой серьезной аварии радиационный уровень в округе не вырастет ни на один рентген. Исследования на той же Кислогубской ПЭС показали, что плотины стандартных ПЭС вполне биологически проницаемы, в отличие от плотин ГЭС. В последних вода проходит через турбину под чудовищным напором, и лопасти ее ротора просто перемалывают все что возможно. На ПЭС же и напор послабее, и лопасти крутятся значительно медленнее. Поэтому даже рыбы проходят через нее почти беспрепятственно. Не вредят «приливники» и основному рыбьему корму — планктону, его тут погибает не более 10% (на ГЭС — от 83 до 99%). Экологи боялись, что в бассейне ПЭС упадет соленость воды, что плохо скажется на его фауне. И исследования подтвердили: да, соленость действительно снижается. Примерно на 0,05–0,07%, что ни рыбы, ни растения ощутить просто не могут.

И еще одно возражение экологов (не всех, но наиболее фанатичных). Как мы уже говорили, приливы тормозят вращение Земли. Как следствие, используя их энергию, не давая ей вернуться в «дикое» состояние, недоотдавая или замедляя отдачу воды при отливе, мы способствуем этому торможению, делая его более интенсивным, что может привести к серьезным экологическим изменениям. Это на самом деле так. Но расчеты показали, что если мы будем отнимать у приливов электростанциями 1ТВт (энергопотребление всего человечества на сегодня составляет чуть больше 13 ТВт), такое воздействие за столетие увеличит длительность наших суток на 10–12 секунд, что в 2 млрд. раз меньше, чем скорость естественного приливного торможения — примерно 0,002 секунды за столетие. Гораздо больший эффект произведет попытка остановить мчащийся товарный состав голыми руками.

Напечатать

Жизнь 00:01 / 10 Июня 2026 14998

«Не талант, не традиции, не школа - вода. Много воды!»

Эрнст предложил «Ленфильму» покинуть центр Петербурга

Ирина Смирнова

Труд

На завершившемся Петербургском международном экономическом форуме много чего было сказано яркого и судьбоносного, направленного не в будничную хмарь, а к сияющим горизонтам. Однако некоторые дерзкие идеи вызывают...