Течет ручей — вырабатывает электричество. Как технологии колесных пароходов XIX века вновь оказались перспективными?
Постоянно ускоряющийся прогресс не только дает нам доступ к новым технологиям, но и позволяет совершенствовать уже имеющиеся, в том числе те, которые до сих пор не нашли промышленного применения из-за первоначально низкой эффективности. В отличие от традиционных ГЭС и ГАЭС, вырабатывающих электричество за счет перепада высот, гидрокинетические установки используют энергию горизонтального течения и не требуют гигантских затрат на сооружение плотин и водохранилищ. Как работает эта технология и в чем ее преимущества — в материале «Энергии Северо-Запада».
Первые попытки использования энергии течения рек, приливов морей и океанов начали предприниматься в 1960-х годах. Одним из мировых пилотов оказалась Кислогубская приливная электростанция (ПЭС), построенная в Мурманской области на берегу Баренцева моря в 1968 году. В установленных здесь ортогональных турбинах (это одна из разновидностей так называемого ротора Дарье — турбины низкого давления, ось вращения которой перпендикулярна потоку жидкой или газовой среды) лопасти устроены по принципу клапана и всегда направлены перпендикулярно потоку воды, которая создает силу для крутящего момента.
В установленных здесь ортогональных турбинах лопасти устроены по принципу клапана и всегда направлены перпендикулярно потоку воды, которая создает силу для крутящего момента.
По сути, на тех же принципах работают гребное колесо на старых пароходах и современные ветровые электростанции, где роль «толкателя» выполняет ветер, а не вода.
Основные преимущества — отсутствие необходимости строить плотины для создания перепада высот и возможность организации выработки энергии даже при относительно слабом напоре. Основной недостаток — чрезвычайно низкий КПД: в отличие от напорных ГЭС, эффективность которых превышает 95 %, показатель оказывался ниже 50 %. В начале 1990-х годов в НИИ энергетических систем (НИИЭС) под руководством Бориса Историка была завершена разработка принципиально новой турбины мощностью 200 кВт. Но ее опытно-промышленная эксплуатация началась лишь в 2007 году.
На фоне экономических трудностей Кислогубская ПЭС была законсервирована, работа экспериментальной площадки возобновилась лишь в 2004 году по инициативе руководства РАО «ЕЭС России». Несмотря на то, что сейчас Кислогубская ПЭС не покрывает вырабатываемой энергией даже собственные нужды, ее функционирование важно с точки зрения обкатки новых технологий. Российским специалистам удалось повысить КПД ортогональных турбин до 60–70 % (мировой рекорд для этого типа оборудования составляет 72 %). Но здесь на передний план выходят другие особенности гидрокинетических установок.
Такие турбины существенно дешевле, вдвое легче, не требуют строительства плотины, сложных монтажных работ, а их конструкция настолько проста, что позволяет изготавливать агрегаты на любом механическом заводе.
Обнадеживающие результаты экспериментов на Кислогубской ПЭС позволили специалистам НИИЭС подготовить проект сверхмощной промышленной приливной электростанции. Мощность Мезенской ПЭС могла бы составить не менее 8 ГВт, что больше аналогичного показателя крупнейшей в России Саяно-Шушенской ГЭС (6,4 ГВт). Но пока ПЭС на берегу Белого моря, где высота приливов достигает 10 м, существует только в проекте.
Второе дыхание гидрокинетическая энергетика получила на фоне планов ведущих стран мира озеленить свои экономики, сократить эмиссию парниковых газов для борьбы с глобальным потеплением. Электростанции, использующие энергию приливов и течений, могут заменить традиционную генерацию в регионах, где использование иных технологий безуглеродной генерации (ГЭС, солнечных и ветровых установок) невозможно или нецелесообразно. В последние 30 лет мировые исследования в этом направлении становятся все более активными. Сейчас в мире действуют девять приливных электростанций и несколько десятков экспериментальных проектов по освоению энергии океанских и морских течений. Однако сколько-нибудь ощутимого экономического эффекта они пока не приносят.
Весной прошлого года власти США запустили программу перспективных исследовательских проектов Агентства энергетики (ARPA-E). В декабре Минэнерго страны сообщило, что выделяет $35 млн на развитие 11 проектов, связанных с подводными гидрокинетическими и речными системами (SHARKS). Причем финансирование будет открыто сразу для всех проектов, которые будут не дополнять друг друга, а конкурировать между собой. Ключевая задача SНARKS — преодоление запретительного ценового барьера для гидрокинетических турбин. Снижать стоимость планируется через повышение эффективности генерации, увеличение площади ротора на единицу эквивалентной массы, снижение затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание, минимизацию потенциального воздействия на окружающую среду и повышение надежности системы.
Так, компания Ocean Renewable Power из Портленда получит $3,6 млн на проект RivGen — энергосистему речного базирования, когда турбины, прикрепленные к фермам-катамаранам, разворачиваются массивами в зоне максимального течения. $4,2 млн получила калифорнийская компания SRI International, которая пытается обуздать энергию океанского прилива с помощью сложной системы подводных змеев, соединенных кабелями с генераторами. «Трансмиссия, встроенная в страховочный трос змея, эффективно передает его движение на роторные генераторы с использованием лишь одного вращающегося подшипника», — говорится в описании проекта, получившего название «Скат» (Manta).
Пока доля гидрокинетической генерации в мировом энергобалансе ускользающе мала, но эксперты полагают, что промышленное масштабирование экспериментальных систем может начаться уже в ближайшее десятилетие. Гидрокинетические установки будут востребованы прежде всего в небольших удаленных поселках, вынужденных использовать привозное топливо. Этот процесс уже начинается: ВМФ США несколько лет назад взял на вооружение одну из таких систем для энергоснабжения отдаленных поселений на Аляске. Но, как полагают специалисты, в будущем сферы применения технологии могут оказаться намного более широкими — от наблюдения за окружающей средой и разведения агрокультур до опреснения воды и добычи полезных ископаемых.
Более года успешно работает установка RivGen в деревне Игиугиг на Аляске. Здесь живут всего полсотни человек — алеуты, эскимосы и индейцы-атабаски. Игиугиг, или «место, где река поглощает озеро», находится в верховьях реки Квичак у истока озера Илиамна — питомника крупнейшего промысла красного лосося на земле. Гидрокинетическая установка производит энергию для жителей поселка, не мешая рыбе.