16 Апреля 2018

Энергия приливов и отливов - есть ли выгода строить приливные электростанции, в чем ее преимущества и недостатки?

Опубликовал К.В. Кулик

         Волны несут в себе огромный энергетический потенциал, и проходя большие расстояния, переносят
его за собой. Их мощь порой становится колоссальной разрушительной стихией, обрушивающейся
на целые города, разрушая их. Однако есть явление вполне мирное и безопасное для того, чтобы
использовать его в получении электрической энергии.

         Будет ли безосновательным утверждение о том, что энергия, которую можно получить благодаря
приливам и отливам также некоторым образом, пускай и слабо, но относится к солнечной
энергетике? Безусловно нет, потому что Солнце не только даёт нашей планете свет и тепло,
необходимые для существования всего живого. Те гравитационные силы, которые действуют на
Землю благодаря ему и Луне создают условия для того, чтобы обширные водные массы двигались в
пространстве, создавая то, что мы называем приливами и отливами. Эти силы оказывают огромное
влияние не только на мировой океан. Их воздействию подвержена вся земная атмосфера, а также
сама поверхность Земли, но проявляется гораздо менее заметно глазу, чем видимое движение волн.
Такая активность может регистрироваться только специальными приборами.

         У движения волн, порождаемых подобным явлением, есть своя амплитуда и частота. Они зависят от
взаимного расположения Луны и Солнца, фазы этих светил, а также таких вещей, как рельеф берега
и сил, которые образуются вращением Земли.

         Энергия, получаемая посредством приливов и отливов имеет свои неплохие перспективы для
развития и использования в будущем, безусловно, не такого всеобщего масштаба, как это, к примеру,
предполагает водородная энергетика, но вполне достаточного для решения локальных проблем. Не
имеет смысла, к примеру, устраивать ПЭС в районах, где образуемые приливом волны не так высоки
и их величина менее чем 4 метра. На их строительство повлияют также множество разнородных
факторов. Эти перспективы и недостатки будут рассмотрены в этой статье.

       Как образуются приливы и отливы

         Механика этого процесса такова, что решающую роль играет всё же положение Земли относительно
этих двух небесных тел. Попадая в такое положение, при котором они находятся на одной линии,
прилив будет максимален, при условии, что эта линия вертикальна. Получается словно бы Солнце и
Луна усиливают друг друга и «вытягивают» волны. Это значит, что в новолуние приливы будут
особенно сильны. Прилив такого рода называется сигизийным. И наоборот, прилив будет
минимален, или квадратурный, если оба небесных тела будут образовывать относительно Земли
прямой угол. Если небесные тела окажутся в противофазе (к примеру, солнечный отлив и лунный
прилив), это вопреки кажущейся разумной в этом случае логике будет лишь усиливать их действие.
Конечно, Солнце, Земля и Луна не находятся в одной плоскости и такое представление весьма
простое как для пояснения механики столь сложного процесса, как образование приливных и
отливных волн, но даёт примерное понимание того, как происходит такой процесс. В
действительности же эта система многомерна и включает многие параметры, как например,
вращение каждого из перечисленных космических объектов, положение друг относительно друга,
смещение в пространстве. Когда все эти положения накладываются друг на друга не только так
условно, как мы отмечали ранее одну условную линию, а ещё и накладываются положения
относительно плоскостей из каждой участницы системы – результатом этой системы станет
максимальный прилив, поскольку будет достигнут пик приливной амплитуды.

         Немаловажным фактором, влияющим на механизм этого природного явления,
оказывается рельеф берега. Амплитуда будет усиливаться там, где берег образовывает собой воронку
по направлению к морю. К берегу такая воронка для получения максимального эффекта должна
сужаться, а вход должен быть широким. Тогда приливным волнам ничто не помешает формироваться в большие и мощные массивы с огромной высотой, превышающие иногда 30 метров.
Если за подобной воронкой находится устье реки, то приливная волна способна преодолеть
благодаря образуемой в этом процессе энергии несколько сот километров, преодолевая течение реки.
То есть такие волны будут идти вверх по реке, что говорит о колоссальной их силе. У них есть своё
название – эти волны названы «бор».

         Максимальную высоту волны за одни сутки можно получить дважды. Суточный цикл для этого
составляет 24 часа 50 минут (лунные сутки). Отсчёт величины приливов также велётся по лунному
календарю. Для энергии приливов характерной особенностью стала постоянная усреднённая
величина энергии, получаемой за каждый год в целом.

       Как устраивается приливная электростанция

         Плотина для перекрытия устья реки невысокая и имеет пропускающие воду отверстия для того,
чтобы задерживать воду при отливах. Энергия поступающего притока водного массива вращает
гидротурбины, приводя в действие генератор, вырабатывающий энергию. Для расчётов мощности
ПЭС играет роль как высота волн, так и рельеф берега, о чём упоминалось ранее, а также площадь
приливного бассейна, количество и производительность гидротурбин. Всё это учитывается в таком
проекте, прежде чем окончательно будет указана проектная мощность такой установки.
Преимуществом ПЭС является то, что для её размещения и постройки не нужно настолько много
строительных ресурсов, чтобы это сказалось на окружающей среде. Выброс загрязняющих веществ
такой электростанции минимален.ПЭС использует в своей работе кинетическую энергию водных массивов, преобразовываемую в механическую при помощи генератора. 

       Преимущества приливных электростанций

         Использование энергии приливов и отливов на практике началось в 50-х годах ХХ столетия. Тогда
были построены первые электростанции, работающие на приливной воде. Были поставлены опыты,
результаты которых исследовались специалистами, вычислялась целесообразность применения
электростанций такого типа и её практическая ценность, а также влияние на окружающую среду. Эти
опытные испытания велись очень долго, за приливными электростанциями наблюдение со стороны
учёных было постоянным. Во время испытаний было обнаружено, что ПЭС является безопасной для
окружающей среды, ведь планктон гибнет в очень малых количествах, а рыба не гибнет фактически
вообще, ведь плотина, которую используют в таких типах электростанций на воде, рассчитана на то,
чтобы быть проницаемой для неё. В дальнейшем технологии по защите окружающей среды и водной
фауны только развивались. Так, к примеру, турбины, используемые в данной конструкции,
практически не представляют собой опасности для рыбы, и доля повреждения, наносимая ими, очень
мала. Постоянный напор такие электростанции не держат, поскольку нет в этом необходимости, а
это значит то, что с точки зрения сохранения биологического водного разнообразия и сохранности
водных бассейнов вообще приливные энергетические объекты выигрывают перед ГЭС сразу по
нескольким пунктам. Вода не застаивается, и её естественное движение не меняется кардинально.

         Такие изменения не являются разрушающими для окружающей среды, нет такого риска прорыва
плотины, как у гидроэлектростанций, создающих колоссальный водный напор, водная площадь не
заболачивается из-за застоя. Колебания и подводные вибрации, неминуемо возникающие при работе
турбин, не превышают опасного для организмов порога, при котором начинается всеобщее
вымирание всего живого. На самом деле, очень часто этот пункт при описании плюсов и минусов использования того или иного типа энергетических объектов минуется или незаслуженно не
упоминается вовсе, однако следует помнить, что вибрации и их действие на живой организм столь
же весомы при рассмотрении всех факторов, создаваемых установкой, как и прочие влияния,
которые оказываются ею на среду, в которой она работает.

         Преимуществом ПЭС также является выравнивание климатических условий прибрежных районов.
Жители прилегающих к электростанции территорий более защищены от штормовых явлений.
Размножение живых организмов ведётся чуть более оживленно в водах, используемых ПЭС, поэтому
количество морепродуктов растёт. Самое большое преимущество таких электростанций – в
органичности взаимодействия их с окружающей средой, и стабильности в эксплуатации, ведь ПЭС
не требует постоянной подачи топлива, а значит менее зависима от внешних факторов. Вода более
постоянна в этом отношении, в отличие от других видов топлива или источников энергии, имеющих
зависимости либо от цены, либо от сезона, либо от иных видов привязок.

         Приливные электростанции позволяют комбинировать их с другими видами энергетических систем,
производящих энергию, что позволяет экономить другие ресурсы. В отличие от других крупных и
мощных объектов этой отрасли, работающих на традиционном топливе, или даже тех же ГЭС, если
случится какая-либо чрезвычайная ситуация, последствия не будут столь фатальными для всего
живого, находящегося вокруг такой электростанции.

         Также, ПЭС снижают долю выбросов в атмосферу, способствующих парниковому эффекту.
Должным образом следует отметить и невероятно высокий показатель КПД приливных
электростанций, составляющий около 80%. Данный показатель несоизмеримо выше, чем у
коэффициент полезного действия СЭС или ВЭС – до 15% и 30% соответственно. Более того, этот
показатель выше даже, чем у тепловых электростанций. Это происходит за счёт того, что при
преобразовании энергии в приливных электростанциях задействовано меньшее количество
элементов. Именно так снижаются все те потери, которые неминуемо появляются в цикле любой
производящей энергию системы.

         Будет ли безосновательным утверждение о том, что энергия, которую можно получить благодаря
приливам и отливам также некоторым образом относится к солнечной энергетике? Безусловно нет,
потому что Солнце не только даёт нашей планете свет и тепло, необходимые для существования
всего живого. Те гравитационные силы, которые действуют на Землю благодаря ему и Луне создают
условия для того, чтобы обширные водные массы двигались в пространстве, создавая то, что мы
называем приливами и отливами. Эти силы оказывают огромное влияние не только на мировой
океан. Их воздействию подвержена вся земная атмосфера, а также сама поверхность Земли, но
проявляется гораздо менее заметно глазу, чем видимое движение волн. Такая активность может
регистрироваться только специальными приборами.

         У движения волн, порождаемых подобным явлением, есть своя амплитуда и частота. Они зависят от
взаимного расположения Луны и Солнца, фазы этих светил, а также таких вещей, как рельеф берега
и сил, которые образуются вращением Земли.

       Использование приливной энергии в мире

         Запас энергии в волнах мирового океана практически неисчерпаем, ведь вода занимает две трети
Земли. Практическое использование переносимой в водной толще волн энергии разрабатывалось
учёными и изобретателями-энтузиастами уже давно. Внедрение же подобной технологии в жизнь прошло долгий путь. Мощь, скрываемая в водных массивах, движущихся к берегу, не давала покоя
рационализаторам, желающим получить дешёвые и неисчерпаемые энергоресурсы. Её хотели
приручить издавна, и использовать с пользой для потребностей хозяйства, или приписывали
мистическую природу до того, как явление, называемое нами приливами и отливами, получило своё
научное объяснение и стало известно о гравитационных силах космических объектов, влияющих на
поверхность Земли таким образом. Энергия, образовываемая приливами и отливами, использовалась,
например, приливными мельницами, хотя и не получила широкого распространения.
Принципиальное устройство этого механизма было таковым, что во время приливов водой
набирались специальные хранилища, а во время отлива вода, возвращаясь обратно, приводила в
движение лопасти мельницы, которые вращались, приводя в действие механизм, который измельчал
поступающее на мельницу зерно в муку. Такие устройства получили распространение на побережьях
разных стран, как например Россия, Англия, Франция и США.

         Интерес к новым путям получения энергии рос с каждым этапом развития производства. Появление
больших энергетических запросов трудно удовлетворить в условиях дефицита средств или
возможностей для снабжения ресурсами. Поэтому альтернативная энергетика всегда хоть порой и
малыми темпами, но идёт в русле развития, как и традиционная, порой даже опережая её.
Немного изменённый принцип работы приливной мельницы также использовался для устройства
лесопилок, когда стремительный рост строительства и производства принуждал искать пути решения
проблем с бесперебойным источником энергии.

         К генерированию механической энергии из приливной интерес возникал постепенно. После
открытия электричества было положено начало поиску дешёвого и эффективного способа его
производства в крупных масштабах. Начались детальные и углублённые поиски решения
энергетических проблем путём использования нетрадиционных видов топлива и источников
энергии. Специалисты в этой сфере подсчитали то количество киловатт-часов, которое можно
«извлечь» из мирового океана в год. Оно составило величину, превышающую 70 млрд. кВт/ч. Для
сравнения, такое количество энергии можно получить, если сжечь все запасы угля на планете,
известные на сегодняшний день. При этом на долю самих приливов приходится 1 млрд. кВт/ч. Это
позволило бы в ближайшем будущем при условии благоприятного комплексного развития ПЭС
составить 5%-ю долю в мировой энергетике.

         Первая ПЭС – Ранс, была запущена в 1967 году во Франции. Её строительство велось 6 лет с 1960
года. Мощность установки составила 240 МВт, электростанция действует до сих пор. Она была
запущена вначале скорее как экспериментально-исследовательский объект, однако не только
окупилась, но и зарекомендовала себя как устойчивый энергетический объект, способный стабильно
и основательно вырабатывать энергию.

       Для того, чтобы построить ПЭС, должны соблюдаться следующие условия:

  1. Приливы должны быть сильными, то есть высота волн не должна быть ниже 3 м. В идеальном
    случае этот показатель должен составлять 5м и выше.
  2. Береговая конфигурация должна быть такой, чтобы имелась возможность постройки
    небольшой и невысокой плотины. Это необходимо для отгораживания необходимой для
    работы приливной электростанции водной площади. В идеале, береговая линия должна
    включать в себя залив.

         Количество крупных ПЭС, которые успешно работают в наше время, не так велико. Сюда можно
отнести упомянутую выше Ранс во Франции, Кислогубскую ПЭС в России мощностью в 0,4 МВт,
Аннаполис в 20 МВт мощности в Канаде, Цзянсянь в Китае, выдающая 3 кВт мощности.

     Технологий получения приливной энергии несколько. Её получают:

  1. Генератором приливного потока, то есть преобразованием кинетической энергии потока в
    механическую, как это к примеру делается ветровыми генераторами. Принцип действия их
    идентичен, просто в одном случае используется энергия потока воды, а в другом –
    перемещающегося воздуха. Генераторы такого типа не вызывают проблем, когда заходит речь
    об их установке. Турбины также разделяются по видам: открытые, имеющие обтекатель,
    вертикальные или горизонтальные.
  2. Приливными плотинами – ими используется перепад уровней прилива и отлива. Принцип
    чем-то схож с использованием приливных мельниц, ведь вода тоже забирается и
    задерживается в водохранилище, только теперь при помощи плотин, а после вновь
    возвращается обратно, приводя попутно в движение турбины генераторов.

         Также появляются новые методы построения ПЭС, как, к примеру, динамические приливные
электростанции, то есть использующие равно как кинетическую энергию движущейся воды, так и
потенциальную. Для этого сама электростанция также должна приходить в движение, чтобы потоки
двигались в одном направлении и эффект суммировался.

         На сегодняшний день, новые проекты по строительству приливных электростанций ведутся в
нескольких странах, в том числе и с развивающейся экономикой. Их планируется запустить в
ближайшее десятилетие, также ведутся исследовательские работы и испытания тестируемых систем,
дабы предложить новые эффективные методы функционирования такой системы.

         Несмотря на свои возможности, ПЭС в мире развиты ещё довольно слабо. Причинами этого
становятся сразу несколько немаловажных аспектов.

       Недостатки ПЭС и перспективы развития приливной энергетики

         Нетрадиционная энергетика и альтернативные способы получения энергии зачастую имеют один
существенный недостаток, стопорящий их развитие. Это высокая стоимость строительства,
установки и монтажа самой системы, а также всех приборов и агрегатов данного объекта
энергосистемы. Кроме того, для хранения вырабатываемой энергии необходимо иметь специальную
ёмкость или аккумулятор – в зависимости от её вида, а для транспортировки её потребителям нужна
магистраль, линия электропередач и прочие коммуникации. Также нужны вспомогательные здания и
дополнительное оборудование. Всё это в совокупности даёт огромную сумму, которая с
перспективой не такой уж моментальной окупаемости не вселяет воодушевления в потенциальных
инвесторов. Гораздо проще кажется решение усовершенствовать и модернизировать уже
существующую систему на привычном топливе – угле, природном газе. Переплаты за энергоресурсы
уже не кажутся такими колоссальными, когда их сравнивают с постройкой тепло- или
электростанции «нового» типа.

         В сравнении с возведением остальных электростанций ПЭС не так дорого обходятся в их постройке.
Однако затраты на проектирование и саму систему, включающую дорогостоящие приборы и
механизмы, внушительны. Развитие нетрадиционной энергетики может получить новые обороты в
том случае, когда наступит всеобщий топливный дефицит, а пока цена данного вопроса кажется
более высокой, чем просто использовать уже устоявшуюся схему.

         Недостаточно хороша ПЭС и ещё по вполне «человеческой» причине, ведь исчисление суток для неё
идут по лунному календарю, как и упоминалось выше. Это вносит некоторый диссонанс в работу электростанции во время получения максимума энергии, и немного нарушает график, в особенности
если от работы ПЭС зависит предприятие.

         Довольно тяжело назвать дешёвой стоимость электроэнергии, получаемой таким методом. Здесь
играют роль большие капитальные затраты на саму ПЭС. Напрашивается логический вывод – нет
смысла строить приливную электростанцию, если рядом нет больших энергетических объектов или
предприятий, которые могли бы её покупать. Такая ПЭС может стать экономически нерентабельной,
ведь если нет рынка сбыта, производитель несёт материальные убытки. Добавим сюда
необходимость соблюдения некоторых условий, таких как высота приливной волны, или рельеф
берега, который порой очень сложно назвать однозначно подходящим для строительства, и мы
получим систему, зависящую от множества переменных, где несоблюдение одного из условий может
обернутся неблагоприятным прогнозом для работы приливной электростанции.