Волновые ГЭС (whpp) – обзор мирового опыта использования

Жизнь человека-это производство и потребление энергии. Непрерывность и качество данного процесса определяет направление и скорость развития человеческой цивилизации.

Мировая энергетика находится в переходной фазе [5, 12, 17, 35]. Экономико-техническое развитие стран требует большого количества энергии, а запасы ископаемого топлива, на котором основана традиционная энергетика, не безграничны [3, 5, 12, 33, 35]. Рост стоимости ископаемого топлива усугубляется и тем, что достигшее колоссальных размеров использование углеводородов наносит ощутимый вред окружающей среде, что отражается на качестве жизни населения [2, 3, 5, 6, 9, 32, 35, 36, 40, 41, 43, 47, 54, 58].

Возобновляющиеся источники энергии (ВИЭ) - это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих процессов в природе, а также жизнедеятельности растительного и животного мира (так называемая-биомасса) [7]. Данные процессы в природе – это потоки энергии солнца, энергии ветра, энергии рек и водоемов (потенциальная и кинетическая), энергия приливов и волн, геотермальная высокопотенциальная энергиях [2, 17, 27, 32, 35, 51, 54, 59, 65].

В свете неопределенной мировой экономической ситуации, ВИЭ можно рассматривать как один из путей выхода из кризиса, к такому выводу зарубежные политики и экономисты пришли еще 20 лет назад, выделяя огромные субсидии и осуществляя меры стимулирования развития этих отраслей. Для реализации масштабных проектов ВИЭ в мире еще нет достаточного опыта их использования [2, 4 - 6, 20, 23, 24, 27, 32, 38, 40, 41] (многие проекты имеют экспериментальный характер), несопоставимо высокая себестоимость ВИЭ по сравнению с традиционной энергией, значительная часть потенциала возобновляемой энергии располагается в изолированных и неценовых зонах, что не позволяет осуществлять долгосрочное планирование проектов и привлекать инвесторов в силу неопределенности доходной базы [17, 23, 32, 51, 56 - 58, 60]. Отсутствие нормативной и законодательной базы для поддержки строительства и эксплуатации электростанций, использующих ВИЭ, серьезно тормозит развитие этого направлениях [20, 23, 24, 32, 35, 38, 39, 51]. Не решены еще пока вопросы подсоединения возобновляемых источников энергии к распределительным сетям и продажи избытка энергии сетевым компаниям [23, 25, 57, 58].

Но все эти проблемы решаемы – это вопрос времени. Эра ВИЭ только начинается – за ними будущее энергетики. Серьезные экологические последствия использования традиционных источников энергии (нефть, газ, уголь) заставляют склоняться мировую общественность в сторону более экологически чистых возобновляемых технологий [2, 5, 6, 8 - 12, 19, 20, 23, 24, 28, 32, 33, 39, 47, 58, 61].

Современное состояние волновой энергетики

Волновая энергетика – одно из направлений альтернативной гидроэнергетики, использующей энергию морских и океанских волн и течений [2, 6, 9, 12, 13, 17, 18, 21 - 24, 32, 36, 38, 46, 58, 65]. Вода – один из самых чистых элементов, к тому же она занимает около 70% поверхности Земли [2, 5, 13, 14, 16, 32, 58, 59, 63]. До сих пор широко использовалась только энергия речных потоков (речные ГЭС), но многочисленные исследования ученых показали, что мощность морских течений на много порядков превышает мощность всех рек мира [6, 21, 23, 33]. Большие потребности в электроэнергии в 20 веке обусловили необходимость в быстрых приростах мощностей, которые были реализованы преимущественно за счет строительства больших ГЭС [25, 28, 29, 42, 44 - 46, 71]. В настоящее время ситуация резко отличается, многие развитые страны, где ресурсы «большой» гидроэнергетики исчерпаны (в Европе-70%, в Сев. Америке – около 70%), а также в силу приоритетов государственной политики (Италия, Франция, Германия, Испания и др.), рассматривают волновую гидроэнергетику как одну из самых перспективных отраслей альтернативной энергетики [21, 22, 24, 29, 53, 58] (английская компания Alderney Renewable Energyи французское предприятие подписали меморандум о намерении развития волновой энергетики до 2020 г). Великобритания и Япония вкладывают большие инвестиции в проекты волновых ГЭС, министерство энергетики США ведет активную разработку системы по использованию энергии, кроющейся в волнах океана, приливах и течениях. Американские аналитики пришли к выводу, что такой энергии достаточно, чтобы вырабатывать около двух триллионов Ватт электричества [58].

Наряду с выработкой энергии, волновая гидроэнергетика также является перспективной областью для передовых технических разработок и инноваций. Идея создания инженерных сооружений [23, 55, 58], гармонично вписывающихся в природный ландшафт, легко реализуема за счет небольшого размера ВГЭС, простого монтажа в водной среде, не требующего специальных подготовительных мероприятий (устройство котлована, перекрытия русла реки и т.п.), а также минимального воздействия на окружающую среду [5, 15, 23, 26, 39, 52, 53, 58, 61, 63, 74].

Несмотря на кажущуюся простоту, пока технология использования морских волн остается достаточно затратной для широкого применения на практике и чрезвычайно дорогой - производство 1кВт электроэнергии на ВГЭС в 5…10 раз выше, чем на АЭС или ТЭС [32, 58, 59]. Кроме того, если значительная часть акватории будет покрыта волновыми преобразователями, это может привести к неблагоприятным экологическим последствиям, так как волны играют важную роль в газообмене атмосферы и океана, в очистке поверхности моря и приводного слоя воздушного потока от загрязнения [23, 32, 58, 81]. Это нужно рассматривать скорее как подтверждение того, что воздействие на биосферу есть у любого инженерного сооружения, кажущегося экологически чистым и безопасным на первый взгляд [28, 46, 53, 54, 62, 63, 71, 74 - 76, 81].

На данном этапе своего становления, волновая гидроэнергетика – это молодая и перспективная отрасль инженерных разработок и экспериментов, с помощью которой, освоение просторов морей и океанов в 21 веке приобретает новый смысл. Мощь и необузданность водной стихии в недалеком будущем может превратиться в «мирную и созидающую силу», преображающую новый мир [5, 6, 11 - 13, 16, 30, 32, 36, 45, 47, 54, 58, 61].

В настоящее время практику применения ВГЭС имеют уже многие страны, опыт их использования интересен и необходим для успешного развития и дальнейшего продвижения этой отрасли на мировом энергетическом рынке другими странами [32, 34, 37, 54, 57, 58, 66, 68, 77]. Ознакомление с этим опытом видится чрезвычайно нужным и полезным, не только для специалистов в этой области, но и для простых людей, которые видят в возобновляющихся источниках энергии – свое будущее.

Первая заявка на патент ВГЭС была подана в Париже в 1799 г. [5, 58]. Уже в 1890 г. была предпринята первая попытка практического использования энергии волн, хотя первая волновая электростанция мощностью 22,5 МВт вошла в коммерческую эксплуатацию только в 2008 г. в районе Агусадора (Португалия) на расстоянии 5 км от берега [58, 84, 90]. Проект электростанции принадлежит шотландской компании PelamisWave Power , которая в 2005 г. заключила контракт с португальской энергетической компанией Enersis на строительство волновой электростанции, мощности которой, по оценкам инженеров, должно хватить для электроснабжения 15000 домов. Ее использование сможет спасти атмосферу планеты от выброса 60000 тонн СО 2 . Стоимость контракта составила 8 млн. евро. В 2009 г. волновая электростанция была введена в эксплуатацию на Оркнейских островах [58, 84, 90].

В Великобритании строится волновая электростанция мощностью 20 МВт [58], разрабатываются проекты таких электростанций и на некоторых других прибрежных территориях западной Европы, Новой Зеландии и Южной Африки[58].

В большинстве проектов волновых электростанций предполагается использовать двухступенчатую схему преобразования. На первом этапе осуществляется передача энергии от волны к телу-поглотителю и решается задача концентрирования волновой энергии. На втором этапе поглощенная энергия преобразуется в вид, удобный для потребления. Существует три основных типа проектов по извлечению волновой энергии [5, 10, 35, 43, 56, 58, 70]. В первом используется метод повышения концентрации волновой энергии и превращения ее в потенциальную энергию воды (колеблющийся водяной столб). Во втором – тело с несколькими степенями свободы находится у поверхности воды. Волновые силы, действующие на тело, передают ему часть волновой энергии (поплавковый тип). Основным недостатком такого проекта является уязвимость тела, находящегося под действием волн. В третьем типе проектов, система, поглощающая энергию, находится под водой (подводные турбины). Передача волновой энергии происходит под действием волнового давления или скорости [5, 32, 35, 43, 56, 58, 70].

В ряде волновых установок для повышения эффективности плотность волновой энергии искусственно повышается. Изменяя рельеф дна в прибрежной зоне, можно сконцентрировать морские волны подобно линзе, фокусирующей световые волны. Если сфокусировать волны с побережья длиной в несколько километров на фронте в 500 м, то высота волны может достигнуть 30 м [58, 84, 90]. Попадая в специальные сооружения, вода поднимается на высоту в 100 м . Энергия поднятой воды может быть использована для работы гидроэлектростанции, расположенной на уровне океана. Волновая электростанция подобного типа используется для обеспечения электроэнергией острова Маврикий, не имеющего традиционных источников энергии [58, 90]. Ряд устройств по преобразованию волновой энергии использует различные свойства волновых движений: периодические изменения уровня водной поверхности, волнового давления или волновой скорости [17]. Процент использования волновой энергии достигает 40 %. Электроэнергия передается на берег по кабелю. В Японии создан промышленный образец такой системы, имеющей 9 турбин общей мощностью в 2 МВт [58].

В уточнение к вышесказанному, полезно будет заметить, что до 2000 года и в период до 2010 года в области волновой гидроэнергетики разрабатывались пилотные проекты, обрабатывались различные технические решения [5, 35, 58]. Начало реализации крупных проектов ВГЭС, а также приливных ЭС (ПЭС) намечается на период 2010-2020 гг. [58]. В планах у большинства стран: увеличить объем финансирования проектов ВГЭС, расширить их функции в энергообеспечении морских и прибрежных городов, лоббировать законы о государственной поддержки волновой гидроэнергетики и использовании возобновляемых источников энергии [1, 5, 8, 10, 40, 77, 79, 80, 85, 89].

В перспективе человечество может обеспечить энергией все прибрежные города за счет использования только лишь энергии волн [58, 66, 67].

Энергетическая компания EVE намерена использовать 200км (!) атлантического побережья Испании для производства экологически чистой электроэнергии из энергии волн [58]. По подсчетам экспертов, волновой потенциал в регионе теоретически позволяет вырабатывать 10% электричества, потребляемого в Стране басков[58].

Великобритания и Ирландия подписали соглашение о масштабном проекте в области морской энергетики.Aquamarine Power (Эдинбург, Шотландия) заключила соглашение о партнерстве с ирландской компанией Airtricity. По этому соглашению партнеры в 2020 г. должны построить в Великобритании и Ирландии парк приливных и волновых электростанций. Общая установленная мощность составит 1ГВт [58].

Логично предположить, что основная доля волнового гидростроительства придется на островные территории с открытым доступом к океану или морю (Великобритания, Япония, государства Австралии и Америки), но этот факт, конечно же, не умоляет вклад других государств в развитие волновой энергетики [58].

Австралийская компания Bio Power Systems разработала систему bio Wavesystem, преобразующую энергию волн. В течении 4-х лет пилотная система мощностью 250 кВт будет тестироваться на площадке 30-метровой глубины около форта Файри, Виктория [58]. За это время компания планирует построить промышленную установку мощностью 1 МВт [58].

Ученые из ВВС США закончили проведение крупного эксперимента по тестированию преобразователя энергии морских волн в электричество. Новая установка, по научным данным, будет иметь невиданный до этого кПд-99% (!). Невероятно, но факт [58].

Девять европейских стран намерены инициировать проект по созданию единой энергетической сети, объединяющей установки ВИЭ [32, 58]. Совместный проект должен объединить ветропарки, солнечные и волновые э/станции Германии, Великобритании, Франции, Бельгии, Дании, Нидерландов, Ирландии, Люксембурга и Норвегии. Предварительная стоимость проекта порядка 30 млрд. евро[58].

По последним расчетам NACA из волновой энергии океана ежегодно можно извлекать более 91000ТВт*ч [58]. Однако наряду с прочим, у волновой энергии есть следующие недостатки: непредсказуемость и непостоянство потока энергии, технические сложности эксплуатации и транспортировки энергии к потребителю [2, 5, 6, 10, 23, 24, 27, 31, 32, 35, 43, 48, 58, 68, 73, 77, 82, 85 - 87, 89]. Расположение ВГЭС в открытом море сопряжено с необходимостью увеличивать длину токопроводящего кабеля до энергопотребителей, учитывать расположение рыболовецких зон и границы хода торговых и пассажирских судов [23, 32, 58, 70, 72, 73, 87, 89]. Решение данной проблемы предложила кампания AWS (Archimedes Wave Swing) – представив ВГЭС, работающую под водой на глубине 40…50 метров [58, 84], причем от верхушки сооружения до поверхности воды будет оставаться примерно 6 метров, что одинаково хорошо как с эстетической, так и с практической точки зрения (не мешает движению судов). Сама установка AWS представляет собой цилиндр диаметром 12 и высотой 30 метров [58]. Весит такой гигант примерно 800 тонн и способен вырабатывать энергию для 500 домов, т.е. выдает до 12 ГВт-часов в год [58]. Рассчитанная стоимость 1 кВт-ч по нынешнему курсу порядка – 13 рублей. Дороговато, но разработчики системы уверяют, что с ее масштабированием цена киловатта будет снижаться [58].

Необходимо упомянуть и о положительном экологическом эффекте ВГЭС [2, 6, 10 - 12, 16, 23 - 25, 27, 32, 33, 36, 47, 49, 50, 55, 57, 58, 67, 69, 79, 80, 83, 87]. Использование одного модуля ВГЭС Pelamis, упомянутого выше, мощностью 750 кВт в течении года позволяет отказаться от сжигания такого количества органического топлива, которое дало бы выброс 2000 тонн парникового газа СО2 [58] ! В ближайшем будущем будут реализованы еще два аналогичных проекта: один – Pelamis – в Шотландии по заказу компании Scottish Power, мощность станции составит 3 МВт, другой в Англии, станция мощностью 5 МВт - проект компании E-on [58, 64, 70, 82, 83].

Заключение

Подводя итог, можно заключить, что процесс изучения и внедрения технологии использования морских волн идет полным ходом, в некоторых странах ВГЭС уже работают наравне с традиционными источниками энергии, полученные «первые» мегаватты электроэнергии снабдили тысячи домов светом и теплом.

Мировые экономические тенденции склоняют к выводу о том, что растущие энергетические, экологические и социальные потребности во многих государствах (в том числе и в России) способствуют или будут способствовать созданию условий для запуска и развития разнообразных инфраструктурных проектов в области альтернативной гидроэнергетики и использования ВИЭ. Одновременно, развернувшийся глобальный финансовый кризис может оказать не лучшее влияние на темпы развития этих проектов в ближайшие несколько лет [58, 62, 63, 72, 73, 78, 88].

Волновая гидроэнергетика – это будущее, и оно создается уже сегодня гением инженерной мысли и бесконечными опытами ученых. Жизнь, как известно не стоит на месте, и в перспективе научных 41 Репин К. К. Волновые ГЭС (WHPP) – обзор мирового опыта использования. / Repin K. K. Wave HPP (WHPP) - review of world experience. © разработок использование концепции «биомимикрии», т.е. заимствование технологических решений у природы. Создание ВГЭС похожих на водоросли, в основе работы которых лежит подобие колебаниям морских растений под водой.