Приливные электростанции и их экологические проблемы

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.