Как это работает. Энергия подводного "ветра".

Глядя на это сооружение, выглядывающее из воды, трудно с первого взгляда понять, что это такое. Между тем это самый настоящий подводный генератор, который работает по одному принципу с известными ветрогенераторами.

Компания Siemens несколько лет назад заявила о промежуточных итогах промышленно-экспериментальной эксплуатации своей энергоустановки SeaGen, использующей приливные течения для выработки электроэнергии, и также о планах строительства в 2013 году сходной установки следующего поколения.

Подробности ниже...

Фото 2.

SeaGen была установлена в Стренгфонд-Лохе (Северная Ирландия) в 2008 году. Но из-за сбоя ПО одна из двух шестнадцатиметровых лопастей была повреждена, так что вывести систему на полную мощность удалось не так давно. Тем не менее, несмотря на небольшой срок полноценной эксплуатации, итоги впечатляют. В октябре 2012 года SeaGen с установленной мощностью в 1,2 МВт вырабатывала 22,53 МВт·ч в день, выдавая в среднем 1 ГВ·ч за 68 дней, что эквивалентно годовой выработке в 5 368 МВт·ч (КИУМ ~52%). Особенность поточной приливной установки в том, что, в отличие от дамбовой и динамической схемы приливных электростанций, здесь не требуется масштабное строительство. Напротив, как в нынешней ветроэнергетике, достаточно привезти к месту установки турбину и закрепить её на дне.

Когда приходит время профилактического осмотра SeaGen, встроенный подъёмник просто поднимает винты на водой. Внизу: классические ПЭС требуют циклопических плотин, перегораживающих целые проливы.

Конструктивно SeaGen — это сразу две турбины с горизонтальной осью вращения, напоминающей не слишком большие традиционные ветряки. Они закреплены на продольной балке и вращаются как при приливом, так и отливном течении. Свою мощность в 1,2 МВт SeaGen достигает при скорости потока в 2,4 м/с, что достаточно для раскрутки лопастей до 15 об/мин.

Поскольку такие системы не требуют дамб, их нет нужды компоновать в крупные приливные электростанции. Но, разумеется, поточные приливные генераторы без дамб не способны полностью использовать всю силу приливных-отливных течений в том или ином секторе побережья. В качестве ещё одного их преимущества упоминается экодружелюбность: обычная рыба практически не имеет шансов столкнуться с лопастями или получить от них серьёзные повреждения. А отсутствие дамбы не препятствует спокойной миграции форм морской жизни в залив Стренгфорд-Лох и из него. С другой стороны, отмечают критики, проживающие в Стренгфорд-Лохе гигантские акулы уже достаточно крупны (12 м, 5 т), чтобы лопасти могли представлять для них существенную угрозу.

Фото 3.

Фото 4.

Немецкая компания заявляет, что опыт эксплуатации произведённой ею турбины в Северной Ирландии удовлетворил всех. Поэтому теперь Siemens собирается поставить (проект уже согласован с властями Уэльса) сразу пять SeaGen-S, суть улучшенную версию SeaGen, для создания первого парка поточных приливных турбин. Диаметр каждой из двух лопастей в новой установке увеличен до 20 м, поэтому установленная мощность возрастёт до 2 МВт. Всего же у берегов Уэльса (предположительно, в Пемброкшире) планируется развернуть турбинную группу мощностью в 10 МВт. Стоимость установки не называется; известно, что SeaGen весила 300 т. Аналогичный по мощности ветряк в сумме будет весить не более 100 т.

Фото 5.

Каковы перспективы у приливных поточных генераторов? Основной аргумент сторонников такого типа генерации — отсутствие необходимости в строительстве дорогих дамб. Тем не менее этот тезис сомнителен по многим причинам. Начнем с главного: стоимости. Сегодня больше всего ПЭС уже не во Франции, как было почти полвека до 2011 года, а в Южной Корее, которая намеревается к 2020 году вырабатывать таким способом не менее 5 260 ГВт·ч в год. Так вот, пойдя по теоретически более дорогому пути создания дамб, там сумели построить крупнейшую в мире Сихвинскую ПЭС за жалкие $1,028 млрд. Да, конечно, это дорого, но не стоит забывать, что вся Сихвинская ПЭС — побочный продукт проекта по осушению морского дна, а из стоимости её, таким образом, надо вычесть площадь отнятой у моря земли. Поскольку цель получения энергии была менее значимой и подчинённой созданию польдера и поддержанию вод в чистоте, постольку и чисто энергетическое строительство, по всем оценкам, будет много дешевле.

Фото 6.

Именно поэтому уже сейчас Ю. Корея готовит или уже ведёт строительство ещё как минимум 1 790 ГВт (до 2017 года) приливных мощностей по дамбовому типу. Напомним, что эта дальневосточная страна вырабатывает на 30% больше энергии на душу населения, чем Япония, причём в среднем значительно дешевле (и это один из краеугольных камней конкурентоспособности местной промышленности). В этом смысле дешёвая приливная энергия — одна из тех областей, на которые корейцы делают основную ставку в ближайшие десятилетия.

В то же время отдельные потоковые турбины будут стоит дешевле $ 4 000 за МВт мощности (как у дамбовой Сихвинской ПЭС) лишь при массовом выпуске, сравнимом с серийными ветряками, до чего пока очень далеко. С другой стороны, для Европы, где государство, в отличие от Южной Кореи, не готово вкладываться в развитие энергетики, теоретически такой путь более перспективен — по крайней мере в тех местах, где скорость приливных течений достаточно высока.

Фото 7.

Технологии TISEC (Tidal In-Stream Energy Conversion), позволяющие использовать кинетическую энергию приливно-отливных течений непосредственно в потоке без специальных трудоемких и дорогостоящих сооружений, стали основным драйвером развития изысканий в области энергетики приливных течений на шельфе, реализация коммерческих проектов в которой обеспечивает необходимый задел для использования в будущем энергии разнообразных течений непосредственно в морях и океанах.

Автономные приливные турбины генерируют электроэнергию за счет течения воды так же, как ветровые, использующие для этого потоки воздуха. Но поскольку плотность воды почти в 800 раз выше плотности воздуха, то для получения той же мощности подводным установкам требуется лишь одна десятая от скорости потока воздуха. Это обеспечивает гораздо меньшие габариты приливных агрегатов по сравнению с ветровыми установками той же мощности. Лопасти подводных турбин совершают всего около десяти оборотов в минуту, поэтому отсутствует негативное воздействие на окружающую среду.

Фото 8.

Такие подводные энергоблоки мощностью от нескольких мегаватт можно собирать на небольших заводах и верфях, тиражировать большими сериями, легко перево­зить в избранную точку акватории и, главное, быстро устанавливать на любом грунте практически без специальных долговременных изысканий и трудоемких подготовительных работ. Из отдельных блоков достаточно просто и быстро можно составить подводную ферму мощностью в сотни мегаватт, способную надежно работать в самых суровых условиях и под ледовым покровом, а также их достаточно удобно поднимать при профилактике и ремонте или переставлять в другое место. Важно, что для создания энергоустановок приливных течений применяются уже не сложные проекты гидроэнергетического строительства, а отработанные офшорные или океанские подводные и судостроительные технологии.

Еще более 25 лет назад в ИО АН СССР нами были созданы и испытаны в натурных условиях макеты подобных свободнопоточных преобразователей на базе ротора Савониуса и различных вариантов лопастных турбин для автономных буйковых океанских станций малой мощности. Один из вариантов макета был выполнен в виде двух рабочих колес, установленных на вертикальной опорной трубе, закрепленной тросами между поплавком и якорной системой, с возможностью вращения колес в разные стороны, задаваемой ориентацией лопастей. Это удваивало скорость генератора с эффективной магнитной системой, размещенного между турбинами в заполненном маслом, разгруженном от гидростатического давления корпусе вместе с мультипликатором, увеличивающим угловую скорость вращения до требуемой величины в условиях реверсивных течений. К сожалению, в современной России эти разработки так пока и не были востребованы.

Фото 9.

Интересно отметить, что несколько лет назад шотландской компанией Nautricity была объявлена инновационной очень похожая на нашу технология подводной турбины CoRMaT мощностью 500 кВт, использующей два ротора с лопастями, вращающимися в разные стороны. Силовой блок этой турбины также расположен в маслозаполненном боксе. Турбина имеет нулевую плавучесть и располагается в толще воды всегда перпендикулярно потоку на глубинах от 8 до 500 м за счет троса, закрепленного якорем на дне.

Первая в мире коммерческая подводная установка энергии приливных течений SeaGen компании MCT, состоящая из двух блоков с диаметром лопастей турбин 16 м, была подключена к энергосистеме Великобритании в 2008 году в акватории Северной Ирландии, где скорости течений достигают 4 м/с. Конструктивно SeaGen состоит из двух турбин с горизонтальной осью вращения лопастей, установленных на продольной балке, закрепленной на вертикальном трубообразном основании, которое обеспечивает возможность подъема турбин для профилактики. Установка SeaGen достигает мощности 1,2 МВт при скорости течения 2,4 м/с и оборотах лопастей до 15 об./мин. На севере Шотландии компания MCT с помощью концерна Siemens, купившего около 90% ее акций, намерена развернуть 66 подобных турбин суммарной мощностью 99 МВт, достаточной для обеспечения 100 тыс. домов. Там имеется множество участков между островами, где приливные течения достигают скорости 4 м/с. Этот район страны называют Саудовской Аравией волновой и приливной энергетики. Здесь развернут первый в мире Европейский центр морской энергетики (EMEC) с полигонами для испытаний коммерческих автономных волновых и приливных технологий. Среди спонсоров и партнеров EMEC крупные корпорации Siemens, ABB, Alstom, Rolls-Royce, Voith и многие другие.

Фото 10.

Фото 11.

Фото 12.

Фото 13.