Альтернативные источники электроэнергии: приливные электростанции

1.Введение.

Проблема энергетики уже давно стоит ребром, особенно для некоторых областей нашей страны и мира в целом. А причина этого в том что у этих мест нет доступа, или он очень сложен, к энергоресурсам, таким как уголь, нефть и газ, которые используются в самом распространённом виде электростанций — тепловых. Однако существуют альтернативные источники электроэнергии, и одним из них является энергия прилива и отлива. Мировое сообщество предполагает лидируещее использование в ХХI веке экологически чистой и возобновляемой энергии морских приливов. Её запасы могут обеспечить до 15 % современного энергопотребления.33-летний опыт эксплуатации первых в мире приливных электростанций (ПЭС) — Ранс во Франции и Кислогубской в России — доказали, что приливные электростанции: •устойчиво работают 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. •стоимость электроэнергии самая дешевая в энергосистеме (доказано за 35 лет на ПЭС Ранс — Франция).

2.Предпосылки для создания ПЭС. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн — перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объёма и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины. В приливных электростанциях двустороннего действия турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно. ПЭС двустороннего действия способна вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами в 1-2 ч четыре раза в сутки. Для увеличения времени работы турбин существуют более сложные схемы — с двумя, тремя и большим количеством бассейнов, однако стоимость таких проектов весьма высока. Примером рационнального использования приливов может служить первая в мире приливная электростанция мощностью 240 МВт которая была пущена в 1966 г. во Франции, в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м 24 гидроагрегата ПЭС вырабатывают в среднем за год 502 млн кВт. час электроэнергии. Для этой станции разработан приливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять три прямых и три обратных режима работы: как генератор, как насос и как водопропускное отверстие, что обеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС. По оценкам специалистов, ПЭС на реке Ранс экономически оправдана, годовые издержки эксплуатации ниже, чем на гидроэлектростанциях, и составляют 4 % капитальных вложений. Электростанция входит в энергосистему Франции и эффективно используется.

3.ПЭС в России. В 1968 г. на Баренцевом море, неда¬леко от Мурманска, вступила в строй опытно-промышленная ПЭС проектной мощностью 800 кВт. Место её строитель¬ства — Кислая Губа представляет собой уз¬кий залив шириной 150 м и длиной 450 м. Хотя мощность Кислогубской ПЭС неве¬лика, её сооружение имело важное значение для дальнейших исследовательских и про¬ектно-конструкторских работ в области ис¬пользования энергии приливов. Электростанция предоставлена для исследований институтам НИИЭС и Гидропроект. В настоящее время разрабатывается проект по строительству Тугурской ПЭС. Местоположение электростанции: Россия, Тугурский залив в южной части Охотского моря, район города Николаевска-на-Амуре, 600 км до Хабаровска. Природные условия в заливе благоприятные для создания мощной приливной электростанции (ПЭС): •средняя величина прилива на входе в залив — 4,74 м •залив защищён грядой Шантарских островов от сильных ветров и тяжёлых льдов Охотского моря •площадь бассейна (при расположении ПЭС на входе в залив) — 1800 км •ширина залива на входе — 37 км (что позволяет разместить там около 1000 гидроагрегатов мощностью по 7-9 МВт). Реализация этого проекта позволит достич следующих целей: сократить добычу, транспортировку и сжигание топлива для тепловых электростанций региона на 7 млн.т условного топлива; уменьшение загрязнения атмосферы Дальнего Востока на 17 млн.т выбросов в год; обеспечение дешёвой и возобновляемой энергией морских приливов потребителей всего региона, в том числе Южной Кореи, Японии и Китая. Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный потенциал Охотского моря, где местами, например на Пенжинской губе, высота приливов составляет 12,9 м, а в Гижигинской губе — 12-14 м.

4.Перспективы развития ПЭС. 4.1.Поперечно-струйные турбины. На существующих в настоящее время низконапорных ГЭС и приливных электростанциях (ПЭС) применяются осевые турбины, у которых напорный поток воды движется вдоль оси турбины. Несколько десятилетий эксплуатации и исследований позволили довести конструкцию осевых турбин до высокой степени совершенства, но они дороги и их изготовление возможно лишь на специализированных турбостроительных заводах. В 1984-86 гг. в Канаде и Японии были проведены исследования в напорном потоке поперечно-струйной (ортогональной) турбины — разновидности ротора Дарье с прямолинейными лопастями крыловидного профиля. Однако её КПД оказался менее 40 % и дальнейшие работы были прекращены. В 1989—2000 гг. специалисты НИИЭС, найдя оптимальные геометрические очертания турбинной камеры и лопастной системы ортогональной турбины, повысили её КПД до 60-70 % (в зависимости от диаметра турбины) и доказали экономическую целесообразность её применения как на микроГЭС и малых ГЭС с напорами от 1 до 6 м, так и на ПЭС с максимальными приливами до 13 м при возможности двухсторонней работы ортогональной турбины. Основные преимущества ортогональной турбины по сравнению с осевой: •снижение массы (и следовательно стоимости) агрегата до 50 % при одинаковой мощности. •увеличение на 40 % расхода через гидроузел при холостом режиме работы турбины, что позволяет кардинально сократить размеры водосливной плотины. •сокращение размера здания электростанции и упрощение конструкции отсасывающей трубы. •возможность массового изготовления лопастей турбины по непрерывной технологии и сборки турбин на обычных (не турбиностроительных) машиностроительных заводах большими сериями, что в принципе решает казалось бы неразрешимую проблему строительства крупных ПЭС, где проектируется установка нескольких сотен гидроагрегатов.

4.2.Защита от коррозии и биологического обрастания. Борьба с коррозией путем выбора стойких материалов, покрытия их поверхности лакокрасочной окраской не эффективна. Окраску необходимо возобновлять (обычно через 2-3 года), что сопряжено с большими затратами, а в условиях высокой влажности морской атмосферы и на труднодоступных участках вообще невозможно. В последнее время наиболее эффективными зарекомендовали себя электрохимические методы защиты от коррозии, так как они могут обеспечить сохранность сооружения в течение всего срока эксплуатации. Сущность электрохимических методов защиты металлов заключается в их катодной поляризации с помощью электрического тока. Катодную защиту целесообразно использовать в совокупности с применением лакокрасочных покрытий, так как при этом расходы электроэнергии и потребление «жертвенных» анодов значительно сокращается. Катодная защита морских энергетических объектов (металлический шпунт в земляной плотине, арматура в конструкции, оборудование) впервые была применена на Кислогубской ПЭС. Там для защиты арматуры в тонкостенной (15 см) железобетонной конструкции здания ПЭС и металлического шпунта в каменно-набросной плотине используются внешние « жертвенные» аноды из металлической массы, заменяемые через 12-15 лет. Защита с 1968 года полностью обеспечивает сохранность сооружений и оборудования в чрезвычайно суровых природных условиях (скорость коррозии в естественных условиях до 1 мм в год).

Электролизная защита используется для предотвращения полного биологического обрастания на бетонных поверхностях и на оборудовании турбинных водоводов на весь срок эксплуатации. Защита осуществляется с помощью специальной электрохимической установки для электролиза морской воды. Состав установки: электролизер (серийное производство), насос, источник электропитания (выпрямитель), трубопроводы Принцип работы установки: морская вода прокачивается насосом через электролизер, и выработанный в нём токсин (соединения хлора) подается в турбинный водовод для препятствования оседания на поверхности водовода личинок обрастателей. Расчетные защитные дозы токсина экологически безопасны, на выходе из водовода количество токсина не превышает нормируемое количество. Экологическая чистота электролизного способа защиты от обрастания подтверждается многолетними натурными исследованиями специалистов.

Необрастающие бетоны — бетоны с биоцидными добавками, обеспечивающие на длительный срок необрастание бетонной поверхности в любой среде, в том числе в морской воде океанической солености. По итогам натурных испытаний на морских стендах Кислогубской ПЭС ряд составов необрастающих бетонов не подвергаются биологическому обрастанию (и при этом не снижают своей прочности) в течение 8-10 лет. В тоже время при традиционном способе защиты бетона и металла необрастающими красками их поверхность не обрастает всего 1-2 года. Длительность сохранения биоцидного эффекта находится в прямой зависимости от толщины конструкции. На данном этапе разработок толщина конструкции рекомендуется не менее 0,15 м. В качестве добавок в необрастаюшие бетоны вносят водорастворимые препараты биоцидов, обладающих антибактериальными свойствами. Наиболее эффективно показали себя добавки оловоорганических соединений. Биоцидные добавки вместе с другими традиционными добавками вносятся в дозированном количестве в состав бетона вместе с водой при приготовлении бетонной смеси. Стоимость достижения противообрастающего эффекта с помощью введения в бетон биоцидных добавок в 10-30 раз меньше стоимости достижения подобного эффекта необрастания с помощью необрастающих красок (по данным исследований Гидропроекта и НИИЭС на научной морской базе в Баренцевом море). Применение необрастающих бетонов позволяет в период строительства гидроузла обеспечить необрастание водоводов вплоть до пуска в эксплуатацию постоянной электролизной системы защиты от обрастаний (обычно за 2-3 года толщина обрастателей может достичь 15-20 см при биомассе до 250 кг/м2

5.Выводы. С точки зрения экологии ПЭС имеет бесспорное преимущество перед тепловыми электростанциями, сжигающими нефть и каменный уголь. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения недавно разработанной поперечно-струйной турбины, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на их строительство. Первые бесплотинные ПЭС намечено соорудить в ближайшие годы в Южной Корее.

Литература

• «Энциклопедия для детей. География», М., «Аванта +», 1994
• «Энциклопедия для детей. Техника», М., «Аванта+», 1999
• Материалы сайта www.niies.ru