ВИКОРИСТАННЯ ПОВЕРХНЕВИХ, ТЕРМАЛЬНИХ І МОРСЬКИХ ВОД ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА ТЕПЛОВОЇ І ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ

Тяжіння Місяця і Сонця породжують в Світовому океані приливну хвилю. Висота цієї хвилі максимальна, коли Земля, Місяць і Сонце знаходяться на одній лінії, і мінімальна, коли напрями на Місяць і Сонце складають прямий кут. Унаслідок добового обертання Землі хвиля накочується на береги материків. Амплітуда приливно-відливних коливань рівня біля берега залежить від рельєфу дна і від форми берегової межі. Максимальна висота приливно-відливних коливань в затоці Фанді на атлантичному побережжі Канади складає 19,6 м. У Мезенській затоці Білого моря ця висота рівна 10 м, в Пенжінській губі Охотського моря 13 м. Швидкості приливно-відливних течій досягають 4 м/с, щільність енергії при цьому складає до 4 кВт/м.

Підняту на максимальну висоту під час приливу воду можна відокремити від моря греблею або греблею в басейні площею А. Якщо потім під час відливу пропустити цю масу води через турбіни, то можна отримати середню потужність . Для прикладу при значеннях А = 10 км², R = 4 м,  = 12 годин 25 хв. усереднена величина потужності =17 МВт. Вочевидь, що місця з великими висотами приливів володіють і великими потенціалами приливної енергії.

Проте не лише цей чинник важливий для розвитку приливної енергетики: треба, наприклад, брати до уваги і капітальні витрати, і майбутній прибуток від створення відповідних приливних електростанцій (ПЕС). Високі капіталовкладення, витрачені на будівництво ПЕС, мабуть, можуть бути виправдані, якщо буде отримана електроенергія, а так само побудовані дороги уздовж гребель, крім того, якщо сама ПЕС буде побудована в естуарії річки і басейн її буде використаний для накопичення енергії, поліпшення умов судноплавства і так далі Отже, розвиток приливної енергетики сильно пов'язаний з конкретною специфікою районів майбутнього будівництва.

Енергія приливів

Енергія приливних течій може бути перетворена подібно до того, як це робиться з енергією вітру. Потужність, що знімається з 1 м² площі поперечного перерізу приливного потоку при максимальній швидкості , рівна приблизно . Для кВт/м².

Перетворення енергії приливів використовувалося для приведення в дію порівняно малопотужних пристроїв ще в середньовічній Англії і в Китаї. З сучасних ПЕС найбільш відомі великомасштабна електростанція Ранс потужністю 240 МВт, розташована в естуарії річки Ла Ранc, що впадає в затоку Сен Мало (Бретань, Франція), і невелика, але принципово важлива дослідна станція потужністю 400 кВт в Кислій губі на побережжі Баренцева моря (СРСР ).

Рисунок 1.1 – Фото припливної ГЕС на річці Ла Ранс

 З місць, які давно приковують увагу гідробудівельників, слід назвати естуарій річки Северн у Великобританії і залив Фанді на східному побережжі Північної Америки на кордоні між США і Канадою.

У затоки і гирла річок морська вода затікає при приливі і витікає при відливі. Якщо перегородити створ протоки або гирла річки греблею, за нею утворюється басейн, в якому рівень води при приливі нижчий, а при відливі вище, ніж в морі. Ця різниця рівнів використовується турбінами приливних електростанцій (ПЕС). При вирівнюванні рівнів ПЕС припиняє роботу. Потенційна (теоретична) потужність ПЕС визначається формулою

де А - середньорічна висота приливів, м,

 F - площа басейну за греблею, км².

Енергія, що виробляється ПЕС за рік, складає

Технічний потенціал реально досягає 33% від теоретичного.

Сприятливими умовами для будівництва ПЕС є значні висоти приливу А, велика площа басейну F, мала довжина створу і відповідно малі витрати на будівництво греблі. ПЕС Ле-Ранс у Франції, розташований в гирлі р. Ранс, має потужність 240 МВт, річне вироблення енергії складає 600 млн. кВт·год Експериментальна Кислогубська ПЕС в Росії розташована на побережжі Кольського півострова (рис. 4.2), має один гідроагрегат потужністю 400 кВт. Проектується Лумбовська ПЕС на Кольському півострові потужністю 320 МВт з виробленням 800 млн. кВт·год/рік. У віддаленій перспективі розглядається можливість будівництва Мезенської ПЕС потужністю 6000 МВт. За проектом довжина греблі цієї ПЕС складе 45 км, в ній будуть встановлені 2000 оборотних турбоагрегатів, річне вироблення електроенергії повинне скласти 36 млрд. кВт·год. У Англії розроблений проект приливної станції Северн потужністю 7000 МВт, на якій горизонтальні турбіни мають діаметр ротора 15 м. У Франції проектують станцію Шозе на 12000 МВт.

Рисунок 1.2 – Фото Кислогубської приливної електростанції

Перспективні райони будівництва приливних електростанцій

Вся потужність океанських приливів на нашій планеті оцінюється в 3000 ГВт. З них приблизно 1000 ГВт розсіюється в мілководних прибережних районах, де принципово можливе зведення інженерних споруд.

Характеристика енергії приливів

33-літній досвід експлуатації перших у світі ПЭС - Ранс у Франції і Кислогубської в Росії - довели, що приливні електростанції мають наступні переваги:

‒ висока передбачуваність режиму роботи. Висота, хід і періодичність приливів в більшості прибережних районів добре описані і проаналізовані завдяки потребам навігації і океанографії. Поведінка приливів може бути передбачена досить точно, з погрішністю менше 4%. Таким чином, приливна енергія виявляється вельми надійною формою поновлюваної енергії;

‒ не забруднюють атмосферу шкідливими викидами на відміну від теплових станцій;

‒ не затоплюють земель на відміну від гідроелектростанцій;

‒ не представляють потенційної небезпеки на відміну від атомних станцій;

‒ вартість електроенергії найдешевша в енергосистемі (доведено за 35 років на ПЭС Ранс - Франція).

Недоліки

‒ 1) неспівпадіння основних періодів виникнення приливів (12 годин 25 хв. і 24 години 50 хв.), пов'язаних з рухом Луни, із звичним для людини періодом сонячної доби (24 години), у зв'язку з чим оптимум приливної генерації знаходиться не у фазі з потребами в енергії;

‒ 2) зміна висоти приливу і потужності приливної течії з періодом в два тижні, що приводить до коливань вироблення енергії;

‒ 3) необхідність створення потоків води з великою витратою при порівняно малому перепаді висот, що змушує використовувати велике число турбін, що працюють паралельно;

‒ 4) дуже високі капітальні витрати на спорудження більшості передбачуваних ПЕС.

Рисунок 1.3 – Фото першої в світі комерційної приливної електростанції SeaGen, затока Странгфорд-Лох, Північна Ірландія

Приливна електростанція в Ірландії

 Для оптимізації виробництва електроенергії турбіни ПЕС повинні використовуватися в декількох режимах, вибір яких залежить від необхідної в даний момент потужності, потреб і можливостей інших виробників електроенергії. Існує багато варіантів режимів, але використовуються головним чином наступні.

1. Якщо ПЕС побудована для забезпечення місцевих потреб в енергії, то необхідні страхувальні енергоустановки, що підключаються в період згасання приливів.

2. Якщо ПЕС включена в крупну енергомережу і є  порівняно невеликим джерелом в масштабах мережі, то заздалегідь визначені варіації приливної енергії можуть бути пристосовані до потреб енергомережі.

3. Якщо вимоги в приливній енергії не пов'язані жорстко з сонячним періодом, то приливну енергію можна використовувати в природному режимі. Наприклад, якщо електроенергія, що виробляється, ПЕС йде на потреби транспорту — зарядку акумуляторів або виробництво водню, то вона виявляється розв'язаною від інших джерел електроенергії.

Рисунок 1.4 – Фото електростанції TidGen компанії Ocean Renewable Power (NASDAQ: OPTT), яка  працює в місцях з сильним приливом

Остаточний критерій комерційного успіху ПЕС — витрати на 1 кВт∙год електроенергії, що виробляється нею. Вони можуть бути понижені:

1) якщо станція вирішуватиме декілька комплексних завдань;

2) якщо відсотки на капітал, вкладений у фінансування будівництва при високих капітальних витратах, не високі;

3) якщо електроенергія, що виробляється, використовується для зниження вжитку дорогого дизельного палива.

При поєднанні таких економічних показників найкращими виявляються великомасштабні ПЕС (потужністю порядка 1000 МВт), Але і менш крупні станції, призначені для постачання віддалених районів, також можуть виявитися економічно вигідними.

 Особливості використання. На практиці в системі, що використовує спрацьовування запасу води із заповнюваного в прилив басейну, не дивлячись на досить високу ефективність перетворення, отримати максимальну потенційну потужність не можна. Цьому перешкоджають наступні обставини.

1) Генерування електроенергії не може бути забезпечене аж до умов малої води, таким чином, частина потенційної енергії приливу не може бути перетворена.

2) Турбіни ПЕС повинні працювати при низькому тиску і при великих швидкостях потоків — умови незвичайні для наявної звичайної гідроенергетичної практики. Турбіни виявляються менш ефективними при зниженні тиску. Найбільший досвід у виробництві подібних турбін має Франція, де вперше були застосовані високошвидкісні капсульні агрегати для рівнинних ГЕС на ПЕС Ранс.

3) Необхідно більш-менш рівномірно забезпечувати споживачів електроенергією, а в разі ПЕС це неможливо із-за зміни рівня води в басейнах. 

Рисунок  1.5 – Фото АК-1000 — одна з найбільших в світі електростанцій, що використовує енергію приливів

Ефективність ПЕС можна збільшити, якщо всі її агрегати при повній воді використовувати в насосному режимі для піднімання рівня в басейні. Припустимо, ми маємо систему, в якій висота приливу 5 м. Підйом рівня навіть на 1 м по відношенню до вищої точки приливу дозволяє забезпечити генерацію при малій воді з перепадом вже 6 м. Навіть якщо насосний режим і режим генерації мають ефективність 50%, виграш від вироблення електроенергії буде порядка 200%.

ПЕС принципово може працювати як при спустошенні басейну, так і при його наповненні. Оптимальна станція, що використовує гідроагрегати, що реверсують, які, крім того, можна ще використовувати і в насосному режимі для підвищення рівня в басейні, може переробляти до 90% потенційної енергії приливу.

Приливні електростанції, що використовують енергію підйому води

Недолік простих ПЕС з одним басейном (рисунок 4.7 а) - добова нерівномірність виробництва електроенергії. Станція працює таким чином. Затвори в греблі, що пропускають воду через гідротурбіну, залишаються закритими, поки різниця рівнів в морі і басейні не стане достатньою для роботи турбін. Коли досягається необхідний натиск, затвори відкриваються і починають працювати, пропускаючи воду в басейн або в море. Таким чином, на такій ПЕС двічі на добу впродовж 3...4 годин виробляється електроенергія, і між цими періодами станція не працює, причому робочі періоди зміщуються в часі через неспівпадіння тривалості місячної і сонячної доби.

ПЕС з двома басейнами (рисунок 4.7 б) виробляють енергію безперервно і з невеликими коливаннями протягом доби. На станції такого типу гідроагрегати встановлені в додатковій греблі, що розділяє басейн на два. У момент максимуму рівня в морі, коли верхній басейн заповнений повністю, закриваються водопропускні отвори в греблі 1. Вода через турбіни ПЕС спрацьовує в нижній басейн, також відключений від моря. Коли рівень в нижньому басейні вирівнюється з рівнем моря, що знижується при відливі, відкривають водопропускні отвори на греблі 2, і рівень в нижньому басейні слідує за рівнем моря. У цій фазі ПЕС працює на різниці рівнів верхнього басейну і моря. При мінімальному рівні відливу нижній басейн відключається від моря і продовжує заповнюватися з верхнього басейну через турбіни. Коли рівень верхнього басейну порівнюється з морським, таким, що підвищується при приливі, відкриваються водопропускні отвори в греблі 2, і ПЕС працює на воді з моря.

Рисунок 1.6 – Класифікація приливних електростанцій

Будівництво гідротехнічних споруджень ПЕС з двома басейнами обходиться набагато дорожче. Представляють інтерес проекти поєднання ПЕС з одним басейном і ГАЕС, коли нічне вироблення приливної електростанції йде на заряд ГАЕС.

Рисунок 1.7 – Приливні електростанції, що використовують приливний підйом води:

а - з одним басейном; б - з двома басейнами

Недолік

Надвисокі капітальні витрати на спорудження плотини. Капітальні вкладення на спорудження ПЭС перевищують витрат на ГЭС в 2,5 рази.

Приливні електростанції, що використовують приливну течію

Для пристрою, який може працювати на прямій і зворотній течіях при максимальній швидкості 3 м/с ~2,8 кВт/м². При максимальній швидкості близько 5 м/с, що зустрічається в протоках між островами, ~14 кВт/м². Перекривши площу 1000 м², можна отримати повну середню потужність електростанції близько 14 МВт.

Періодична природа генерації електроенергії, звичайно, створювала б певну скруту для споживачів, але вище наголошувалося, що потужність, що розвивається приливною течією, відстає по фазі приблизно на  від потужності, що створюється в басейні, що заповнюється, отже, перетворювачі двох типів можуть бути об'єднані.

Вже розроблений цілий ряд сучасних пристроїв для перетворення енергії приливних течій, один з яких показаний на рисунку 1.8.