АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКА В РОССИИ И В МИРЕ

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКА В РОССИИ И В МИРЕ

Россия, страна полноводных рек, омываемая морями, относящимися к бассейнам трех океанов, имеет практически неисчерпаемую перспективу в области альтернативной гидроэнергетики. Рынок электроэнергии, как в нашей стране, так и в мире, непрерывно растет — вопрос лишь в том, как превратить энергию воды в электричество таким образом, чтобы цена на него была конкурентоспособной сравнительно с тем, которое получают традиционными способами.
ПРИЛИВНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
По идее их правильнее было бы называть лунными. Естественный спутник Земли, приближаясь к нашей планете, приводит в движение воды мирового океана, вызывая таким образом прилив; Солнце, кстати, также участвует в этом процессе. По этой причине для работы приливной электростанции сторонняя энергия не требуется: пока целы ее генератор с подстанцией, она будет работать. При этом даже в случае катаклизмов и военных действий ее разрушение не угрожает, к примеру, разливом радиоактивного теплоносителя или других вредоносных веществ: на ПЭС таковых попросту нет. Электростанции этого типа гораздо бережнее и к рыбному богатству страны: при прохождении их в водозаборниках гибнет не более десяти процентов планктона, главного корма рыб — тогда как в случае с ГЭС прохождения через ее лопасти не выдерживает почти вся микрофауна.
приливные электростанции
Кроме того, все нарушения дна, которыми чревато строительство ПЭС, восстанавливаются естественным путем за пару лет с полным восстановлением гидробиосферы. И наконец, ни ледовая обстановка, ни соленость воды на работе таких электростанций никак не сказываются.
Минимальный перепад уровней, при котором способны работать ПЭС, составляет 4 метра. Само собой, при приливе и отливе движение воды через винт турбины будет иметь разные направления. Интенсивность вращения также зависит от уровня рабочей жидкости в энергонакопляющем бассейне. Вал генератора полностью останавливается в двух «мертвых» точках, ограничивающих рабочий цикл. Вращение начинается только при возникновении разницы уровней, не важно, положительной или отрицательной.
Вот как описывает принцип действия таких станций в своей статье, посвященной ПЭС, Евгений Маляр:
    «Наибольшая амплитуда уровня моря наблюдается в морских заливах, в которых прибережным рельефом образованы естественные полузамкнутые бассейны. Изменение направления вращения турбины технически реализуется посредством переменного шага лопастей, иными словами, их поворотом относительно оси вращения. Как правило, турбины имеют возможность переключаться с генераторного на насосный режим в зависимости от ситуации и фазы технологического цикла. Главный недостаток, заключающийся в неравномерности производительности, нивелируется общей единой энергосистемой, частью которой являются приливные электростанции».
приливные электростанции
Первой и единственной ПЭС в России остается построенная в 1968 году Кислогубская приливная электростанция в Кислой губе Баренцева моря. Построена она неподалеку от поселка Ура-Губа, где высота приливов превышает отметку в четыре метра. Проработавшая до середины 90-х годов прошлого века, Кислогубская ПЭС была законсервирована и позже, уже в начале нового тысячелетия, основательно модернизирована и снова введена в эксплуатацию — уже как экспериментальная площадка для нужд будущего строительства более мощных приливных электростанций. Одну из таких, мощностью 12 мегаватт,  планируется построить в Мурманской области. Мощность же самой Кислогубской ПЭС невелика: она составляет 1,7 мегаватта, что позволяет поддерживать энергоснабжение поселка с пятью тысячами жителей.
Существует проект строительства Пенжинской ПЭС в Пенжинской губе Охотского моря, где высота приливов достигает отметки в 8 метров. Однако ни сроки реализации этого проекта, ни источники его финансирования пока не ясны.Примерно такая же ситуация сложилась со строительством Мезенской ПЭС в Мезенском заливе Белого моря, которая могла бы вырабатывать до 39 миллионов кВт/ч электроэнергии, учитывая почти восьмиметровую высоту здешних приливов. Десять лет назад в Мезенском заливе была испытана энергоустановка ПЭС на плавучей платформе, однако ее мощность составляла всего 1,4  киловатта.
Максимальная же высота приливов в России — более 8 метров — наблюдается в районе Шантарских островов в Охотском море, что позволило включить проект Тугурской приливной электростанции в долгосрочную государственную программу по развитию гидроэнергетики. В случае успешной реализации проекта мощность Тугурской ПЭС может составить 11 ГВт, что существенно выше, чем, к примеру, у всем известной Саяно-Шушенской ГЭС.
Если приливные электростанции, можно сказать, безупречны с точки зрения экологии, почему же их в мире всего чуть больше десятка (причем только две из них, «Сихва» в Южной Корее и французская «Ля Ранс», вырабатывают около 250 МВт энергии — мощность же остальных действующих ПЭТ колеблется в пределах 300 кВт—20 МВт)? Весь вопрос — в дороговизне их строительства: в среднем ПЭС обходится в полтора раза дороже, чем ГЭС той же мощности. Тем не менее в мире имеется тенденция к стабильному росту приливной энергетики, а ее общий потенциал эксперты оценивают в 1 000 000 мегаватт.
Кислогубская ПЭС фотограф Дмитрий Мухин
ВОЛНОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Эти плавучие сооружения вырабатывают электричество, используя практически неисчерпаемую в мировом океане энергию волн — поэтому потенциал данной отрасли альтернативной энергетики оценивается не меньше, чем в два миллиона мегаватт — это, чтобы было понятней, сравнимо с тысячью АЭС работающих на полную мощность.
Волновые электростанции используют, во-первых, кинетические запасы — волна, проходя через трубу большого диаметра, вращает лопасти, а они передают усилие на электрогенератор. Они могут работать иначе: в этом случае вода, проникая в специальную камеру, вытесняет оттуда кислород, который перенаправляется по системе каналов и вращает лопасти турбины. И, наконец, эти установки способны, выступая в роли поплавков, использовать энергию качения — каждая из них, перемещаясь в пространстве вместе с профилем волны, посредством сложной системы рычагов заставляет вращаться турбину.
ВОЛНОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Как и у приливных электростанций, у ВЭС один существенный недостаток: высокая цена, которая обусловлена сложностью конструкции. В частности, ее проблемным местом является передача полученной электроэнергии по проводам потребителю. Высказываемые часто опасения, что ВЭС якобы могут помешать газообмену в мировом океане, очищению его поверхности, скорее всего, несостоятельны: даже если человечество полностью перейдет на энергию волн, площадь, занимаемая плавучими электростанциями, по отношению к общей площади мирового океана будет мизерной. По той же причине скепсис вызывают и суждения, что избыток ВЭС может замедлить вращение земли, из-за которого и образуются волны. Едва ли состоятельны и домыслы, что волновая энергетика может стать препятствием для судоходства и рыболовства — чтобы избежать этого, достаточно определить местоположение ВЭС в стороне от морских путей и промысловых зон.
Как бы ни были дороги волновые электростанции, выработка ими электроэнергии происходит почти при нулевых затратах — к тому же они способны защищать береговые сооружения от разрушительного действия волн. Вообще достоинств у этих электростанций много больше, чем недостатков. Поэтому дальнейшее развитие сети ВЭС связано прежде всего со снижением их стоимости путем использования новейших технологий и материалов. Это необходимо еще и потому, что большинство современных ВЭС рассчитаны исходя из мощности волн в диапазоне 75—80 кВт/м. Однако в шторм этот показатель много выше, и для того, чтобы избежать повреждения лопастей и самих установок, разработчикам приходится заблаговременно заботиться о соответствующих технических решениях этой проблемы.
ВОЛНОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Первая в мире ВЭС была запущена в 1985 году в Норвегии. По сути, это был лишь экспериментальный образец, способный вырабатывать 500 киловатт энергии. Двадцать лет спустя в Австралии была введена в эксплуатацию первая промышленная волновая электростанция (кстати, в этой стране используются как волновые, так и приливные электростанции). А первая в мире коммерческая ВЭС и крупнейшая из сооружений такого рода на сей день заработала в португальском Агусадоре в 2008 году. Кроме своей довольно большой мощности — 2,25 МВт — она имеет характерную особенность: модульную конструкцию, позволяющую добавлять или снимать секции.
Единственный пока в России проект подобного рода был реализован в 2014 году в Приморском крае. Его разработкой совместно занимались ученые Уральского Федерального университета и Тихоокеанского океанологического института. Отечественные волновые генераторы представляют собой альтернативные преобразователи энергии морских течений, приливов и волн в электричество. Установка имеет экспериментальный характер. Первые же ее испытания в акватории станции Мыс Шульца продемонстрировали ее немалый потенциал, но вместе с тем и обозначили ряд проблемных мест, в частности — уже упоминавшуюся деформацию лопастей во время шторма. Вместе с тем стало очевидным, что подобные установки способны защищать береговую зону от размытия, а берег — от эрозии. В перспективе возможно базирование на них морских дронов и аналогов автоматических систем охраны береговой границы.
МАЛЫЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
О промышленном использовании мини- и микрогидроэлектростанций говорить не приходится: мощность тех и других составляет до 100 и до 1000 (по некоторым классификациям до 3000) киловатт соответственно. Вместе с тем такие электростанции могут служить источниками практически бесплатной электроэнергии, что особенно актуально в России в связи с постоянным ростом тарифов. Одна такая станция, в зависимости от своей мощности, способна обеспечить электроэнергией отдельно стоящий дом либо даже небольшой поселок. От солнечных батарей и ветрогенераторов их выгодно отличает способность к стабильной выработке энергии, независимо от условий окружающей среды.
МАЛЫЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Наиболее простыми в плане создания и установки среди малых гидроэлектростанций считаются проточные, не требующие постройки плотины. Ведь сооружение последней представляет собой довольно сложное дело, к тому же требующее согласования с местными властями и соседями.
Проточные микрогидроэлектростанции могут представлять собой водяное колесо, оснащенное лопастями и установленное перпендикулярно поверхности воды. Существуют модификации водяного колеса со специальными лопатками, оптимизированными под струю жидкости.
МАЛЫЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Роторные микро-ГЭС представляют собой трос протяженностью от одного берега реки до другого, на который как бусы нанизаны роторы, погруженные в воду. Вращение роторов передается тросу, один конец которого соединен с подшипником, а другой — с валом генератора.
Ротор Дарье — это вертикальный ротор, вращающийся благодаря разнице давлений на его лопастях, которая создается за счет обтекания жидкостью сложных поверхностей. Эффект в этом случае подобен подъемной силе судов на подводных крыльях или подъемной силе крыла самолета. В начале работы такой ротор нужно раскрутить. Достоинство такой конструкции в том, что ось ротора у нее расположена вертикально, что позволяет производить отбор мощности над водой. Кроме того, ротор Дарье будет вращаться при любом направлении потока.
Конструкция в виде пропеллера представляет собой подводную «ветряную мельницу» с вертикальным ротором. Ширина лопастей такого пропеллера невелика — она редко превышает два сантиметра, что обеспечивает при скорости потока до 2 метров в секунду минимальное сопротивление и предельно возможную скорость вращения.
Конструкция мини-гидроэлектростанций, как правило, включает в себя водозаборное устройство, энергоблок и элементы управления. Одни из них используют энергию свободного течения рек, другие — перепады уровня воды на разных объектах водного хозяйства. Мобильные мини-ГЭС монтируются в контейнерах и в качестве напорной деривации используют трубы и гибкие армированные рукава. Русловые и приплотинные мини-гидроэлектростанции с небольшими водохранилищами намного сложнее других в процессе сооружения: построить их под силу лишь бригаде квалифицированных специалистов.
В Интернете можно найти немало видео, демонстрирующих эффективные и оригинальные технические решения для мини-ГЭС. При этом никакой особой географической специфики в данном случае не существует: конструкция, созданная, к примеру, инженерами-конструкторами из Европы, может эффективно работать на другой стороне Земли — или наоборот.
МАЛЫЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
***
Завершая разговор об альтернативной гидроэнергетике в России и в мире, отметим, что в настоящей статье мы коснулись лишь наиболее распространенных и, одновременно, перспективных сооружений этого типа. Кроме них, конечно же, существуют и другие. Например, водопадные электростанции, в которых вода, падая вниз, крутит лопасти турбины. В России они из-за особенностей ландшафта нашей страны особого распространения не получили.
Принципиально новым словом в альтернативной гидроэнергетике являются электростанции осмотические — они располагаются в местах впадения реки в море и получают энергию от перемещения частиц при смешении соленой и пресной воды. На сей день в мире действует лишь одна такая электростанция. Расположенная в Норвегии, она имеет статус экспериментальной лаборатории, сотрудники которой работают над рядом вопросов, включая экономическую окупаемость объектов такого рода.