Глава IV. Вода
Гидроэлектростанции
Энергию бегущей и падающей воды люди еще использовали еще на заре цивилизации.
Солнечная энергия постоянно затаскивает в облака тонны воды из океана - она в итоге разливается в виде рек (См. Приложение 24). Кроме того, под действием Солнца и Луны Мировой океан отклоняется от поверхности вращающейся Земли - так возникают приливы, отливы и огромные океанские волны [4].
Люди лучше всего научились использовать течение рек. Если приделать турбину к древней водяной мельнице - получается готовая гидроэлектростанция. ГЭС дают энергию более дешёвую, чем тепловые станции. В этом смысле показательно, что Норвегия, располагающая большими запасами нефти и газа в Северном море, базирует электроэнергетику почти исключительно на энергии горных рек (около 99%). Есть ГЭС безплотинные, использующие естественный водопоток, и электростанции, где поступающая вода накапливается в водохранилище, а затем подается на турбины. Строительство и работа крупных ГЭС нередко влекут за собой серьезные проблемы: искусственные моря и происходящие перед плотинами разливы меняют естественную экосистему, ландшафт и весь режим орошения в бассейне реки.
При строительстве ГЭС возникают большие побочные проблемы: искусственные моря и происходящие перед плотинами разливы меняют естественную экосистему, ландшафт и весь режим орошения в бассейне реки. Затопление плодородных земель в долинах рек, повышение уровня грунтовых вод и заболачивание, изменение микроклимата на прилегающей территории. – вот далеко не полный перечень последствий строительства ГЭС. Так после заполнения Рыбинского водохранилища (в бассейне Волги) в результате снижения среднегодовой температуры, на окрестных полях перестала вызревать пшеница и лён.
Другой пример. Длина крупнейшей в мире дамбы «Три ущелья» на реке Янцзы – 2309 м, высота – 185 м. При строительстве из зоны затопления пришлось переселить более 1, 3 миллионов человек (См. Приложени25, 26).
Поэтому в последние годы по всему миру приобретают все большую популярность мини-гидроэлектростанции: построить ее может кто угодно и где угодно - и обеспечить свой дом вечным и бесплатным электричеством. Таких станций очень много в Китае - половина новых мини-ГЭС в 2007 году построено именно там. Популярны они и в бедных странах Африки и Азии. Установив миниатюрную турбину в русле ручья, можно изменить жизнь кенийской деревни: у врачей будет телефонная связь, а в домах местных жителей – радио [4].
Факты
Первую ГЭС открыли в 1882 году в США. На её мощности работало всего 250 электролампочек.
Сегодня гидроэлектростанции дают около 20 % мировой электроэнергии.
Рентабельность ГЭС в России выше, чем ТЭС и АЭС, а себестоимость электроэнергии в 6 раз ниже, чем на ТЭС.
Приливные электростанции.
Приливная электростанция (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды (См. Приложение 27). Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 метров.
Существует мнение, что работа приливных электростанций тормозит вращение Земли, что могло бы привести к негативным экологическим последствиям. Однако ввиду колоссальной массы Земли влияние приливных электростанций незаметно. Кинетическая энергия вращения Земли (~1029 Дж) настолько велика, что работа приливных станций суммарной мощностью 1000 ГВт будет увеличивать длительность суток лишь на ~10?14 секунды в год, что на 9 порядков меньше естественного приливного торможения (~2?10?5 секунд в год) [8].
Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроаккумулирующая электростанция.
Энергию морских приливов и отливов пока используют в ограниченных масштабах - в мире не так много приливных электростанций (См. Приложение 29). Развитие этой отрасли - дело будущего, предполагается, что ПЭС смогут обеспечить до 15% мирового энергопотребления [4].
В заливе Странгфорд – Лох в Северной Ирландии планируется построить приливную электростанцию, которая будет снабжать электричеством 1140 домов. (См. Приложении 28 ).
Крупнейшая в мире приливная электростанция Ля Ранс, находится во Франции.
ПЭС существуют во многих странах — во Франции, Великобритании, Канаде, Китае, Индии, США и других странах. Крупнейшая в мире приливная электростанция "Ля Ранс", построенная в эстуарии реки Ранс (Северная Бретань, Франция) имеет самую большую в мире плотину, ее длина составляет 800 м [8]. Плотина также служит мостом, по которому проходит высокоскоростная трасса (См. Приложение 30). Мощность станции составляет 240 МВт.
Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками — высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в единой энергосистеме с другими типами электростанций [8].
Две уникальные электростанции, использующие энергию приливов, скоро будет сооружены в России.
Первая и единственная в России ПЭС – Кислогубская, мощностью 0,4 МВт, построена в 1968 году в заливе Кислая губа на Кольском полуострове, на берегу Баренцева моря (См. Приложения 31, 32).
Станция (железобетонная конструкция длиной 36 м, шириной 18,3 и высотой 15,35 м) сооружалась в доке недалеко от Мурманска и затем была отбуксирована за 100 километров, в Кислую губу. Станция награждена золотой медалью на Всемирной выставке «ЭКСПО» в Японии, а сам метод постройки получил название «российского» и используется ныне при создании морских платформ для добычи нефти [10].
Кислогубская ПЭС была законсервирована из-за финансовых проблем в ее модернизации в середине 1990-х годов и недавно вновь запущена в работу после почти десятилетнего перерыва [10].
Ноу-хау модернизированной станции - уникальная ортогональная турбина, которая больше нигде в мире в гидроэнергетике не применяется. Основная идея такой турбины в том, что её ротор всегда вращается в одну сторону независимо от направления силового потока. Такие агрегаты уже давно применяются в ветряной энергетике, но для водной среды он разработан впервые российским «НИИ энергосооружений» и изготовлен на предприятии «Севмаш», прославившемся своими атомными подводными лодками [10].
Применение ортогонального ротора позволяет не разворачивать лопасти турбины при изменении направления силового потока, снижая тем самым затраты на эксплуатацию станции примерно на 30%.
Мощность приливной электростанции в Кислой губе, где высота прилива достигает 5 метров, составляет 400 кВт. Станция считается экспериментальной. Уже разрабатываются проекты новых ПЭС, для промышленного использования.
В советское время были разработаны проекты строительства ПЭС в Мезенской губе (мощность 11 000 МВт) на Белом море, Пенжинской губе и Тугурском заливе (мощностью около 8000 МВт) на Охотском море. Планируется, что на Мезенской ПЭС в Белом море будет запущен первый в России полупромышленный энергоблок мощностью 10 МВт. Полностью введенная в эксплуатацию Мезенская приливная станция может дать до 20 тысяч МВТ [10].
В настоящее время статус этих проектов неизвестен, за исключением Мезенской ПЭС, включённой в инвестиционный проект РАО «ЕЭС». Пенжинская ПЭС могла бы стать самой мощной электростанцией в мире — проектная мощность 87 ГВт [8].
Российские проекты Тугурской ПЭС мощностью 8,0 ГВт и Пенжинской ПЭС (87 ГВт) на Охотском море предполагают снабжать энергией районы юго – Восточной Азии [4].
В Пенжинской губе на Охотском море, где приливы доходят до 17 м, приливная электростанция даст от 20 до 90 тысяч МВТ. В целом же Россия располагает ресурсом приливной энергии, соизмеримым с общим количеством энергии, которое вырабатывается и используется сегодня в стране. Только Кольский залив и побережье Охотского моря могут дать порядка 100 гигаватт энергии за счет использования приливных электростанций. А всего 2 мегаватта достаточно для отопления и освещения среднего поселка за Полярным кругом [10].
Недавно вступил в силу Киотский протокол, предполагающий снижение вредных выбросов в атмосферу. В рамках протокола страны Евросоюза планируют к 2010 году довести долю возобновляемых источников энергии в общем энергобалансе до 10%. Ввод в эксплуатацию Кислогубской ПЭС, которая не выбрасывает в атмосферу углекислый газ, можно считать вкладом российских энергетиков в решение общих экологических проблем [10].
Создание ПЭС сопряжено с большими трудностями. Прежде всего, они связаны с характером приливов, на которые влиять невозможно, так как они зависят от астрономических причин, от особенностей очертаний берегов, рельефа, дна и многих других. Цикл приливов определяется лунными сутками, тогда как режим энергоснабжения связан с производственной деятельностью и бытом людей и зависит от солнечных суток, которые короче лунных на 50 минут. Отсюда максимум и минимум приливной энергии наступает в разное время, что очень неудобно для ее использования. Несмотря на эти трудности люди, настойчиво пытаются овладеть энергией морских приливов. К настоящему времени предложено около 300 различных технических проектов строительства ПЭС. Наиболее рациональным экономически эффективным решением специалисты считают применение в ПЭС поворотно-лопастной (обратимой) турбины, идея которой впервые была предложена советскими учеными [11].
Такие турбины - их называют погруженными или капсульными агрегатами - способны действовать не только как турбины на оба направления потока, но и как насосы для подкачки воды в бассейн. Это позволяет регулировать их эксплуатацию в зависимости от времени суток. Высоты и фазы прилива, удаляясь от лунного ритма приливов и приближаясь к периодичности солнечного времени, по которому живут и работают люди. Однако обратимые турбины не компенсируют уменьшение силы прилива. Что вызывает периодическое изменение мощности ПЭС и затрудняет ее эксплуатацию. Действительно, немалые сложности возникнут в работе территориальной энергосистемы, если в нее включена электростанция, мощность которой изменяется 3 - 4 раза в течение двух недель [11].