Приливные электростанции и их экологические проблемы
Под влиянием притяжения Луны и Солнца происходят периодические
поднятия и опускания поверхности морей и океанов – приливы и отливы.
Частицы воды совершают при этом и вертикальные и горизонтальные движения.
Наибольшие приливы наблюдаются в дни сизигий (новолуний и полнолуний),
наименьшие (квадратурные) совпадают с первой и последней четвертями Луны.
Между сизигиями и квадратурами амплитуды приливов могут изменяться в 2,7
раза.
Вследствие изменения расстояния между Землей и Луной,
приливообразующая сила Луны в течение месяца может изменяться на 40%,
изменение приливообразующей силы Солнца за год составляет лишь 10%. Лунные
приливы в 2,17 раза превышают по силе солнечные.
Основной период приливов полусуточный. Приливы с такой периодичностью
преобладают в Мировом океане. Наблюдаются также приливы суточные и
смешанные. Характеристики смешанных приливов изменяются в течение месяца в
зависимости от склонения Луны.
В открытом море подъем водной поверхности во время прилива не
превышает 1 м. Значительно большей величины приливы достигают в устьях рек,
проливах и в постепенно суживающихся заливах с извилистой береговой линией.
Наибольшей величины приливы достигают в заливе Фанди (Атлантическое
побережье Канады). У порта Монктон в этом заливе уровень воды во время
прилива поднимается на 19,6 м. В Англии, в устье реки Северн, впадающей в
Бристольский залив, наибольшая высота прилива составляет 16,3 м. На
Атлантическом побережье Франции, у Гранвиля, прилив достигает высоты 14,7
м, а в районе Сен-Мало до 14 м. Во внутренних морях приливы незначительны.
Так, в Финском заливе, вблизи Ленинграда, величина прилива не превышает
4...5 см, в Черном море, у Трапезунда, доходит до 8 см.
Поднятия и опускания водной поверхности во время приливов и отливов
сопровождаются горизонтальными приливо-отливными течениями. Скорость этих
течений во время сизигий в 2...3 раза больше, чем во время квадратур.
Приливные течения в моменты наибольших скоростей называют «живой водой».
При отливах на пологих берегах морей может происходить обнажение дна
на расстоянии в несколько километров по перпендикуляру к береговой линии.
Рыбаки Терского побережья Белого моря и полуострова Новая Шотландия в
Канаде используют это обстоятельство при ловле рыбы. Перед приливом они
устанавливают на пологом берегу сети, а после спада воды подъезжают к сетям
на телегах и собирают попавшую в чих рыбу.
Когда время прохождения приливной волны по заливу совпадает с периодом
колебаний приливообразующей силы, возникает явление резонанса, и амплитуда
колебаний водной поверхности сильно возрастает. Подобное явление
наблюдается, например, в Кандалакшском заливе Белого моря.
В устьях рек приливные волны распространяются вверх по течению,
уменьшают скорость течения и могут изменить его направление на
противоположное. На Северной Двине действие прилива сказывается на
расстоянии до 200 км от устья вверх по реке, на Амазонке – на расстоянии до
1 400 км. На некоторых реках (Северн и Трент в Англии, Сена и Орне во
Франции, Амазонка в Бразилии) приливное течение создает крутую волну
высотой 2...5 м, которая распространяется вверх по реке со скоростью 7
м/сек. За первой волной может следовать несколько волн меньших размеров. По
мере продвижения вверх волны постепенно ослабевают, при встрече с отмелями
и преградами они с шумом дробятся и пенятся. Явление это в Англии
называется бор, во Франции маскаре, в Бразилии поророка.
В большинстве случаев волны бора заходят вверх по реке на 70...80 км,
на Амазонке же до 300 км. Наблюдается бор обычно во время наиболее высоких
приливов.
Спад уровня воды в реках при отливе происходит медленнее, чем подъем
во время прилива. Поэтому, когда в устье начинается отлив, на удаленных от
устья участках еще может наблюдаться последействие прилива.
Река Сен-Джонс в Канаде, недалеко от места впадения в залив Фанди,
проходит через узкое ущелье. Во время прилива ущелье задерживает движение
воды вверх по реке, уровень воды выше ущелья оказывается ниже и поэтому
образуется водопад с движением воды против течения реки. При отливе же вода
не успевает достаточно быстро проходить через ущелье в обратном
направлении, поэтому уровень воды выше ущелья оказывается выше и образуется
водопад, через который вода устремляется вниз по течению реки.
Приливо-отливные течения в морях и океанах распространяются на
значительно большие глубины, чем течения ветровые. Это способствует лучшему
перемешиванию воды и задерживает образование льда на ее свободной
поверхности. В северных морях благодаря трению приливной волны о нижнюю
поверхность ледяного покрова происходит уменьшение интенсивности приливо-
отливных течений. Поэтому зимой в северных широтах приливы имеют меньшую
высоту, чем летом.
Поскольку вращение Земли вокруг своей оси опережает по времени
движение Луны вокруг Земли, в водной оболочке нашей планеты возникают силы
приливного трения, на преодоление которых тратится энергия вращения, и
вращение Земли замедляется (примерно на 0,001 сек за 100 лет). По законам
небесной механики дальнейшее замедление вращения Земли повлечет за собой
уменьшение скорости движения Луны по орбите и увеличение расстояния между
Землей и Луной. В конечном итоге период вращения Земли вокруг своей оси
должен сравняться с периодом обращения Луны вокруг Земли Это произойдет,
когда период вращения Земли достигнет 55 суток. При этом прекратится
суточное вращение Земли, прекратятся и приливо-отливные явления в Мировом
океане.
В течение длительного времени происходило торможение вращения Луны за
счет возникавшего в ней приливного трения под действием земного притяжения
(приливно-отливные явления могут возникать не только в жидкой, но и в
твердой оболочке небесного тела). В результате Луна потеряла вращение
вокруг своей оси и теперь обращена к Земле одной стороной. Благодаря
длительному действию приливообразующих сил Солнца потерял свое вращение и
Меркурий. Как и Луна по отношению к Земле, Меркурий обращен к Солнцу только
одной стороной.
В XVI и XVII веках энергия приливов в небольших бухтах и узких
проливах широко использовалась для приведения в действие мельниц.
Впоследствии она применялась для приведения в действие насосных установок
водопроводов, для транспортировки и монтажа массивных деталей сооружений
при гидростроительстве.
В наше время приливная энергия в основном превращается в электрическую
энергию на приливных электростанциях и вливается затем в общий поток
энергии, вырабатываемой электростанциями всех типов, В отличие от
гидроэнергии рек, средняя величина приливной энергии мало меняется от
сезона к сезону, что позволяет приливным электростанциям более равномерно
обеспечивать энергией промышленные предприятия.
В приливных электростанциях используется перепад уровней воды,
образующийся во время прилива и отлива. Для этого отделяют прибрежный
бассейн невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе.
Затем воду выпускают, и она вращает гидротурбины
Приливные электростанции могут быть ценным энергетическим подспорьем
местного характера, но на Земле не так много подходящих мест для их
строительства, чтобы они могли изменить общую энергетическую ситуацию.
В Кислой губе вблизи Мурманска с 1968 года начала работать первая в
нашей стране приливная электростанция мощностью в 400 киловатт.
Проектируется приливная электростанция в устье Мезени и Кулоя мощностью 2,2
млн киловатт.
За рубежом разрабатываются проекты приливных электростанций в заливе
Фанди (Канада) и в устье реки Северн (Англия) мощностью соответственно в 4
и 10 млн киловатт, вступили в строй приливные электростанции Ранс и Сен-
Мало (Франция) мощностью в 240 и 9 тыс. киловатт, работают небольшие
приливные электростанции в Китае.
Мировое сообщество предполагает лидируещее использование в ХХI веке
экологически чистой и возобновляемой энергии морских приливов. Ее запасы
могут обеспечить до 15 % современного энергопотребления.
33-летний опыт эксплуатации первых в мире ПЭС - Ранс во Франции и
Кислогубской в России - доказали, что приливные электростанции:
устойчиво работают в энергосистемах как в базе так и в пике графика
нагрузок при гарантированной постоянной месячной выработке электроэнергии
не загрязняют атмосферу вредными выбросами в отличие от тепловых станций
не затапливают земель в отличие от гидроэлектростанций
не представляют потенциальной опасности в отличие от атомных станций
капитальные вложения на сооружения ПЭС не превышают затрат на ГЭС благодаря
апробированному в России наплавному способу строительства (без перемычек) и
применению нового технологичного ортогонального гидроагрегата
стоимость электроэнергии самая дешевая в энергосистеме (доказано за 35 лет
на ПЭС Ранс - Франция).
Экологический эффект (на примере Мезенской ПЭС) заключается в
предотвращении выброса 17,7 млн тонн углекислого газа (СО2) в год, что при
стоимости компенсации выброса 1 тонны СО2 в 10 USD (данные Мировой
энергетической конференции 1992 г.) может приносить по формуле Киотского
протокола ежегодный доход около 1,7 млрд USD.
Российской школе использования приливной энергии - 60 лет. В России
выполнены проекты Тугурской ПЭС мощностью 8,0 ГВт и Пенжинской ПЭС
мощностью 87 ГВт на Охотском море, энергия которых может быть передана в
энергодефицитные районы Юго-Восточной Азии. На Белом море проектируется
Мезенская ПЭС мощностью 11,4 ГВт, энергию которой предполагается направить
в Западную Европу по объединенной энергосистеме " Восток-Запад".
Наплавная "российская" технология строительства ПЭС, апробированная на
Кислогубской ПЭС и на защитной дамбе С-Петербурга, позволяет на треть
снизить капитальные затраты по сравнению с классическим способом
строительства гидротехнических сооружений за перемычками.
| | |
|[pic] |[pic] |
| | |
|Наплавное здание Кислогубской ПЭС |Перегон Кислогубской ПЭС по морю |
|перед выводом на перегон |из Мурманска в Кислую губу |
Природные условия в районе исследований (Заполярье): морская вода океанической солёности 28-35 о/оо и температурой от -2,8
С до +10,5 С температура воздуха в зимний период (9 месяцев) до -43 С влажность воздуха не ниже 80 % количество циклов (в году): замачивания-осушки - до 690, замораживания-
оттаивания до 480 обрастание конструкций в морской воде биомассой - до 230 кг/м2 (слои
толщиной до 20 см) электрохимическая коррозия металлов до 1 мм в год экологическое состояние района - без загрязнений, морская вода - без
нефтепродуктов.
В России обоснования проектов ПЭС осуществляются на специализированной
морской научной базе на Баренцевом море, где идут исследования морских
материалов, конструкций, оборудования и антикоррозионных технологий.
Создание в России нового эффективного и технологически простого
ортогонального гидроагрегата предполагает возможность его массового
изготовления и кардинального снижения стоимости ПЭС. Результаты российских
работ по ПЭС опубликованы в капитальной монографии Л.Б.Бернштейна,
И.Н.Усачева и др. "Приливные электростанции", изданной в 1996 г. на
русском, китайском и английском языках.
Российские специалисты по приливной энергии в институтах Гидропроект и
НИИЭС осуществляют полный комплекс проектных и научно-исследовательских
работ по созданию морских энергетических и гидротехнических сооружений на
побережье и на шельфе, в том числе в условиях Крайнего Севера, позволяющие
в полной мере реализовать все преимущества приливной гидроэнергетики.
Экологическая характеристика приливных электростанций
Экологическая безопасность:
. плотины ПЭС биологически проницаемы
. пропуск рыбы через ПЭС происходит практически беспрепятственно
. натурные испытания на Кислогубской ПЭС не обнаружили погибшей рыбы или ее повреждений (исследования Полярного института рыбного хозяйства и океанологии)
. основная кормовая база рыбного стада - планктон: на ПЭС гибнет 5-10
% планктона, а на ГЭС - 83-99 %
. снижение солености воды в бассейне ПЭС, определяющее экологическое состояние морской фауны и льда составляет 0,05-0,07 %, т.е. практически неощутимо
. ледовый режим в бассейне ПЭС смягчается
. в бассейне исчезают торосы и предпосылки к их образованию
. не наблюдается нажимного действия льда на сооружение
. наплавной способ строительства дает возможность не возводить в створах ПЭС временные крупные стройбазы, сооружать перемычки и прочее, что способствует сохранению окружающей среды в районе ПЭС
. исключен выброс вредных газов, золы, радиоактивных и тепловых отходов, добыча, транспортировка, переработка, сжигание и захоронение топлива, предотвращение сжигания кислорода воздуха, затопление территорий, угроза волны прорыва
. ПЭС не угрожает человеку, а изменения в районе ее эксплуатации имеют лишь локальный характер, причем, в основном, в положительном направлении.
. Энергетическая характеристика приливных электростанций
Приливная энергия
. возобновляема
. неизменна в месячном (сезонном и многолетнем) периодах на весь срок эксплуатации
. независима от водности года и наличия топлива
. используется совместно с электростанциями других типов в энергосистемах как в базе, так и в пике графика нагрузок
. Экономическое обоснование приливных электростанций
Стоимость энергии на ПЭС самая низкая в энергосистеме по сравнению со
стоимостью энергии на всех других типах электростанций, что доказано за 33-
летнюю эксплуатацию промышленной ПЭС Ранс во Франции - в энергосистеме
Electricite de France в центре Европы.
За 1995 г. стоимость 1кВт.ч электроэнергии ( в сантимах) на:
ПЭС -18,5
ГЭС -22,61
ТЭС -34,2
АЭС -26,15
Себестоимость кВт*ч электроэнергии (в ценах 1996 г.) в ТЭО Тугурской
ПЭС - 2,4 коп., в проекте Амгуеньской АЭС - 8,7 коп.
ТЭО Тугурской (1996 г.) и материалы к ТЭО Мезенской ПЭС (1999 г.) благодаря
применению эффективных технологий и нового оборудования впервые обосновали
равнозначность капитальных затрат и сроков строительства крупных ПЭС и
новых ГЭС в идентичных условиях.
Социальное значение приливных электростанций
Приливные электростанции не оказывают вредного воздействия на
человека:
нет вредных выбросов (в отличие от ТЭС)
нет затопления земель и опасности волны прорыва в нижний бьеф (в отличие от
ГЭС)
нет радиационной опасности (в отличие от АЭС)
влияние на ПЭС катастрофических природных и социальных явлений
(землетрясения, наводнения, военные действия) не угрожают населению в
примыкающих к ПЭС районах.
ПЭС в энергосистеме Европы
[pic]
Вариант использования ПЭС в энергосистеме Европы - - -
По оценкам экспертов, они могли бы покрыть около 20 процентов всей
потребности европейцев в электроэнергии. Подобная технология особенно
выгодна для островных территорий, а также для стран, имеющих протяженную
береговую линию.
------------- ----- ------ ------- ------- ------ -------- ------- ----
--- ------ ------ ----- --------- --------------- Другой способ получения
альтернативной электроэнергии – использовать разницу в температурах между
морской водой и холодным воздухом арктических (антарктических) районов
земного шара. В ряде районов Северного Ледовитого океана, особенно в устьях
больших рек, таких как Енисей, Лена, Обь, в зимнее время года имеются особо
благоприятные условия для работы арктических ОТЭС. Средняя многолетняя
зимняя (ноябрь-март) температура воздуха не превышает здесь -26 С. Более
теплый, и пресный сток рек прогревает морскую воду подо льдом до 30 С.
Арктические океанические тепловые электростанции могут работать по обычной
схеме ОТЭС, основанной на закрытом цикле с низкокипящей рабочей жидкостью.
В ОТЭС входят: парогенератор для получения пара рабочего вещества за счёт
теплообмена с морской водой, турбина для привода электрогенератора,
устройства для конденсации отработавшего в турбине пара, а также насосы для
подачи морской воды и холодного воздуха. Более перспективна схема
арктической ОТЭС с промежуточным теплоносителем, охлаждаемым воздухом в
оросительном режиме» (См. Б.М. Берковский, В.А. Кузьминов «Возобновляемые
источники энергии на службе человека», Москва, Наука, 1987 г., стр. 63-65.)
Такая установка может быть изготовлена уже в настоящее время. В ней могут
быть использованы: а) для испарителя – кожухопластинчатый теплообменник
APV, тепловой мощностью 7000 кВт. б) для конденсатора – кожухопластинчатый
теплообменник APV, тепловой мощностью 6600 кВт или любой другой
конденсационный теплообменник, такой же мощности. в) турбогенератор –
турбина Юнгстрем на 400 кВт и два встроенных генератора с дисковыми
роторами, на постоянных магнитах, общей мощностью 400 кВт. г) насосы –
любые, производительностью для теплоносителя – 2000 м3/ч, для рабочего
вещества - 65 м3/ч, для охладителя – 850 м3/ч. д) градирня – сборно-
разборная 5-6 метров высотой, диаметром 8-10 м. Установка может быть
собрана в 20 футовом контейнере и перебрасываться в любое необходимое
место, где имеется река с потоком воды более 2500 м3/ч, с температурой воды
не менее +30С или большое озеро, из которого можно брать такое количество
воды, и холодный воздух температурой ниже –300С. На сборку градирни
потребуется всего несколько часов, после чего, если обеспечена подача воды,
установка будет работать и выдавать для полезного использования более
325кВт электроэнергии, без какого - либо топлива. Из вышеизложенного видно,
что уже в настоящее время можно обеспечить человечество альтернативной
электроэнергией, если вкладывать в это средства.
Есть еще один способ получения энергии из океана - электростанции,
использующие энергию морских течений. Их называют также «подводными
мельницами».
Литература:
Усачев И.Н. Приливные электростанции. - М.:Энергия, 2002. Усачев И.Н.
Экономическая оценка приливных электростанций с учетом экологического
эффекта// Труды XXI Конгресса СИГБ. - Монреаль, Канада, 16-20 июня 2003.
Велихов Е.П., Галустов К.З., Усачев И.Н., Кучеров Ю.Н., Бритвин С.О.,
Кузнецов И.В., Семенов И.В., Кондрашов Ю.В. Способ возведения
крупноблочного сооружения в прибрежной зоне водоема и плавкомплекс для
осуществления способа. - Патент РФ № 2195531, гос. рег. 27.12.2002
Усачев И.Н., Прудовский А.М., Историк Б.Л., Шполянский Ю.Б. Применение
ортогональной турбины на приливных электростанциях// Гидротехническое
строительство. – 1998. – № 12.
Раве Р., Бьеррегорд Х., Милаж К. Проект достижения выработки 10% мирового
электричества с помощью энергии ветра к 2020 г. // Труды форума FED, 1999.
Атласы ветрового и солнечного климатов России. - СПб: Главная геофизическая
обсерватория им. А.И. Воейкова, 1997.