Текст книги "Журнал «Вокруг Света» №03 за 2009 год"

Прилив сил

Дамба первой в мире приливной электростанции в устье реки Ранс. Франция. Фото:  SPL/EAST NEWS

Когда Парижская Академия наук отказалась рассматривать проекты вечных двигателей, формально она была совершенно права. Вечных двигателей не существует. Но есть почти вечные. По сути, вся наша Вселенная – огромный perpetuum mobile, который работает вот уже более 13 миллиардов лет и пока не собирается останавливаться. Надо просто суметь им воспользоваться. 

В некоем научном трактате начала прошлого тысячелетия безымянный автор описал замечательный вариант вечного двигателя. Изобретатель предложил собрать крепкий шест, достаточно длинный для того, чтобы дотянуться до Луны . Его наземный конец он соединил с шатунным механизмом и возвратной пружиной. По замыслу изобретателя Луна должна была с помощью шеста приводить шестерни механизма в движение, а в ту пору, когда ночное светило уходило «за Землю», пружина возвращала шест в исходное положение, где он дожидался нового прихода земного спутника. Нам неизвестно, пытался ли древний изобретатель воплотить свой аппарат в жизнь, но, вероятно, он сильно удивился бы, узнав, что предложенный им достаточно длинный шест давно существует и работает. И не один, а целых два – второй связывает нас с Солнцем. Шесты эти мы называем гравитацией. Правда, шестерни они не вращают, но дважды в день вызывают изменения уровня воды в больших водоемах. То, что изменение уровня воды в океане зависит от движения по небу основных светил – Луны и Солнца, отмечал еще в IV веке до Рождества Христова греческий купец и географ Пифей – тот самый, что первым описал полярный день, северное сияние и вечные льды. В самом начале нашей эры его наблюдения развил в своих трудах учитель Цицерона – Посидоний, полагавший, что эти светила обладают особым полумагическим притяжением наподобие магнита. Но вскоре труды Посидония были надолго забыты, и первые приливные мельницы строились без их учета.

Небесные тягачи

Научная теория приливов появилась в 1687 году, и создал ее основоположник теории всемирного тяготения Исаак Ньютон. Основными «виновниками», как люди верно догадывались, оказались Луна и Солнце. Своим притяжением каждое из светил стремится вытянуть Землю. Это связано с тем, что гравитация быстро убывает с расстоянием. Из-за этого Луна притягивает ближнюю часть нашей планеты на 6,5% сильнее, чем дальнюю. Под действием этой разности сил Земля давно бы стала похожа на дыню, если бы не вращение, которое все время подставляет Луне другой бок, едва только начинает развиваться деформация. В результате по нашей планете, чуть отставая от Луны, постоянно бегут две приливные волны. В твердом веществе их амплитуда составляет около полуметра. Вода более подвижна, но и ее подъем в открытом море не превышает метра. С приближением к суше высота морской приливной волны многократно увеличивается. Наиболее интенсивным рост этот оказывается в узких местах побережий – в проливах, сужающихся заливах, устьях рек. Доходит до того, что некоторые реки во время мощных приливов меняют направление течения на противоположное. На Северной Двине замедление течения во время приливов отмечается за 200 километров от устья, а на Амазонке – за 1400. В узком речном русле прилив может создавать высокую, до 5 метров, волну, движущуюся против течения со скоростью 7 м/с. В Бразилии ее называют порока, во Франции – маскаре, в Британии – бор. В дни особенно сильных приливов порока проходит по Амазонке до 300 километров – у побережья уже давно начался отлив, а волна все еще идет вверх по реке. Солнце тоже порождает пару приливных волн, но они заметно слабее лунных. Дело в том, что размеры Земли весьма незначительны в сравнении с расстоянием до Солнца, так что перепад силы его притяжения на ближнем и дальнем краях земного шара составляет менее 0,02%. Однако солнечная гравитация на два порядка сильнее лунной, и поэтому приливы, вызванные Солнцем, уступают лунным не в сотни, а только в 2,5 раза. Когда лунная и солнечная волны накладываются и усиливают друг друга, случаются особенно высокие приливы. Их называют сизигийными, поскольку происходит это в дни сизигий – новолуний и полнолуний. Прямая противоположность им – приливы, происходящие в моменты квадратур (первой и последней четвертей Луны). В такие дни Луна и Солнце располагаются по отношению к Земле под прямым углом и ослабляют приливное влияние друг друга. В результате вода во время сизигийных приливов может подниматься в 2—3 раза выше, чем во время квадратурных. Высота прилива в некоторых местах действительно впечатляет. Например, в Гранвиле ( Франция ) перепад уровня воды достигает 14,7 метра, в устье реки Северн (Бристольский залив, Англия) доходит до 16,3 метра, а в районе залива Фанди (атлантическое побережье Канады ) – почти до 20 метров (высота семиэтажного дома). Но есть и такие места, где приливы почти не ощущаются. Скажем, в районе Трапезунда (Черное море, Турция ) вода поднимается всего на 8 сантиметров, а в Финском заливе амплитуда прилива редко превосходит 4—5 сантиметров. Приливные волны бегут по поверхности Земли навстречу вращению, постепенно его замедляя. Постоянные потери вращательной энергии нашей планеты составляют около 2 тераватт – как раз столько электроэнергии потребляет сегодня все человечество. Но масса Земли столь велика, что это приводит к удлинению суток всего на 2 миллисекунды за столетие. Небольшая часть этой энергии идет на постепенное повышение лунной орбиты, радиус которой растет примерно на 3 сантиметра в год, а остальное растрачивается на внутреннее трение в горных породах и, главным образом, в водных массах. В далеком будущем, через миллиарды лет, вращение Земли синхронизируется с Луной. Сутки тогда сравняются с лунным месяцем, а приливы, по крайней мере лунные, прекратятся.

Первая советская экспериментальная ПЭС в Кислой губе первоначально была оснащена французской 400-киловаттной осевой турбиной. Сейчас там исследуется новейшая ортогональная турбина меньшей мощности. Фото: ИТАР-ТАСС

Водный помол

Самые древние приливные мельницы работали на реке Флит, в районе современного Лондона, еще во времена Римской империи, но об этом нам известно только по косвенным данным. Старейшая из тех, остатки которых удалось раскопать археологам, относится к концу VIII века. Эта небольшая мельничка при основанном святым Патриком монастыре Нендрам в Северной Ирландии устроена была чрезвычайно просто. Во время прилива вода через открытые воротца заполняла небольшой бассейн. Когда прилив сменялся отливом, ворота закрывались и вода из бассейна спускалась через специальное сливное отверстие, под которым находилось закрепленное горизонтально колесо с мельничными лопастями. Поток воды вращал лопасти, и это вращение передавалось на рабочие жернова диаметром 83 сантиметра. Нехитрая установка развивала мощность чуть меньше одной лошадиной силы и позволяла перемалывать до 4 тонн муки за сутки. Первое документальное упоминание о приливной мельнице относится к 1086 году. В знаменитой «Книге Страшного суда», составленной по результатам первой в средневековой Европе поземельной переписи, проведенной по приказу Вильгельма Завоевателя, говорилось о приливной мельнице, расположенной в Дувре, на берегу пролива Па-де-Кале. Кроме нее в книге упоминалось о мельнице на реке Ли в местечке Три-Миллс-Айленд (сегодня эта территория относится к Лондону). Старейшая сохранившаяся до наших дней приливная мельница была также построена в Англии, в городке Вудбридж, еще в 1170 году. Она была уже значительно больше и мощнее, чем в Нендраме. Колесо мельницы было вертикальным, наподобие пароходных, а площадь ее приливного бассейна составляла 28 000 м2 (около 3 гектаров). Мельница несколько раз реконструировалась и благополучно молола зерно несколько веков вплоть до 1957 года. К тому времени это была последняя действующая промышленная приливная мельница. В 1973 году после пятилетней реставрации заброшенного комплекса в нем был открыт музей индустриальной революции. В музейные экспонаты превратились и несколько других приливных мельниц – в Англии, Бельгии и Нидерландах. Все они работают, только муку в них сегодня перемалывают для туристов. А в целом в начале прошлого века только по берегам Атлантического океана работало более 750 таких мельниц. Около 300 – в Северной Америке, 200 – в Британии и примерно 100 – во Франции. Кое-где были построены приливные насосы, приливные подъемники и даже приливные лесопилки. И большая часть этих установок создавалась без всякого теоретического обоснования.

Французский дебют

Первыми за сооружение электростанций, извлекающих энергию из приливных движений воды, взялись французы. В 1925 году они присмотрели перспективное место под приливную электростанцию вблизи деревни Абер-Врак (департамент Финистер). И не просто присмотрели, а даже начали строительство, но из-за финансовых проблем к 1930 году его забросили. Однако конструкторские наработки, которые энергетики планировали использовать в этой первой ПЭС, пригодились при сооружении следующей, которая и стала первой действующей. Место для нее в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, выбрал еще в 1921 году инженер Жерар Буасноэ. Даже самые низкие квадратурные приливы поднимаются здесь на 8 метров, а в дни сизигий вода захлестывает за 13-метровую отметку. Но путь от идеи до ее воплощения оказался долгим. Лишь в 1943 году Общество по изучению использования приливов (Société d"étude pour l"utilisation des marées, SEUM) провело необходимые исследования и составило техническое обоснование проекта ПЭС. Сами же работы по строительству начались только в 1961 году. Главным специалистом проекта стал известный французский архитектор Луи Арретч. Плотину спроектировал Альбер Како, получивший к тому времени титул «лучшего инженера Франции». Два года ушло на осушение строительной площадки. 20 июля 1963 года, когда бассейн будущей ПЭС был надежно заблокирован двумя мощными дамбами, состоялась церемония закладки первого камня, а 26 ноября 1966 года построенную ПЭС открыл лично президент Франции генерал Шарль де Голль . Сооружение оказалось впечатляющим. Приливный бассейн площадью 22,5 км2 отгораживала плотина длиной почти 800 метров. На ней смонтированы 24 турбины общей мощностью 240 мегаватт. По сей день эта электростанция остается крупнейшей в провинции Бретань и производит более 600 миллионов киловатт-часов в год. В пересчете на современные деньги ее постройка обошлась французам в 740 миллионов евро, но станция уже давно окупилась, и теперь ее электричество   стоит всего 1,8 цента за киловатт-час – в полтора раза дешевле энергии столь популярных во Франции АЭС.

Советский ответ

В России на некоторых участках побережья Белого и Баренцева морей приливы поднимают воду на высоту до 10 метров. Еще в XVII веке здесь строились первые приливные мельницы. И когда в начале 1960-х годов руководство СССР узнало, что французы строят первую ПЭС, началось соревнование. Место для возведения советской ПЭС было выбрано в 90 километрах от Мурманска в Кислой губе, недалеко от поселка Ура-Губа. Оно будто специально было создано природой для такого проекта: естественный залив площадью более миллиона квадратных метров с узкой, всего 40 метров, горловиной. Единственным, но существенным минусом площадки было то, что располагалась она вдали от других промышленных объектов. Да и дорог к ней нормальных не было. Для быстрого возведения наши конструкторы под руководством инженера и изобретателя Льва Бернштейна придумали способ строительства, который сейчас называется «наплавным» и применяется почти везде, где требуется возвести крупное водное или подводное сооружение. Здание размером 36×18,5 метра и высотой более 15 метров, которое одновременно являлось и плотиной, было построено не в Кислой губе, а в строительном доке на мысе Притыка, рядом с Мурманском. Вместе со смонтированным в нем оборудованием его вплавь отбуксировали по месту службы, где и установили на выровненное и подготовленное к этому дно. Но, несмотря на такое ноу-хау, французы все равно опережали наших гидростроителей. Когда стало ясно, что перегнать их не удастся, советские чиновники, дабы минимизировать политические издержки, оперативно объявили проект «технической ересью», подлежащей немедленной заморозке. Стройка застыла на год, и лишь публикация в газете «Известия» статьи «Наказанная проблема» заставила пересмотреть абсурдное решение и выделить средства на завершение объекта. Станцию открыли в 1968 году. На ней была установлена турбина диаметром 3,3 метра и мощностью 400 киловатт производства французской фирмы «Нейрпик», которая оборудовала и первую французскую ПЭС.

Ротор ПЭС SeaGen в сборочном цехе. Фото: SEA GEN

Биологическая проницаемость

Приливная энергетика в экологическом плане является одной из самых чистых. В отличие от ТЭС приливные станции не выбрасывают в атмосферу ни углекислого газа, ни серы, ни золы. В отличие от ГЭС для их постройки не нужно затоплять земли. Кроме того, нет опасности рукотворного речного цунами при прорыве плотины. В отличие от АЭС даже в случае самой серьезной аварии радиационный уровень в округе не вырастет ни на один рентген. Исследования на Кислогубской ПЭС показали, что приливные турбины вполне биологически проницаемы. Через них без повреждений проходит около 85% рыбы, для которой плотины ГЭС совершено непреодолимы. Вода идет через турбину гидроэлектростанции под чудовищным напором, и лопасти ее ротора просто перемалывают все, что в них попадает. В случае ПЭС напор гораздо слабее и лопасти крутятся значительно медленнее. Не наносят они существенного вреда и основному рыбьему корму – планктону, его тут погибает не более 10% (на ГЭС – от 83 до 99%). Экологи опасались, что в бассейне ПЭС упадет соленость воды, что отрицательно скажется на его фауне. Этот эффект действительно имеет место, но оказался столь мал (0,5—0,7 промилле), что не сказывается на растениях и животных.

Ортогональные турбины

Конечно, даже для конца 1960-х эта мощность была не слишком впечатляющей. И все же Кислогубская ПЭС принесла миру ничуть не меньше пользы, чем ее «конкурентка» на Рансе, поскольку стала одной из ведущих мировых экспериментальных площадок по отработке новых технологий приливной энергетики. В числе последних связанных с ней ноу-хау – разработка новой ортогональной турбины, работающей при любом направлении потока. Обычно на приливных электростанциях используют осевые турбины, напоминающие ходовой винт корабля. Сложная форма лопаток делает их дорогими. Кроме того, они рассчитаны на постоянное направление течения. Поэтому между приливами и отливами на них приходится поворачивать лопасти. В ортогональных турбинах прямые лопасти с крыловидным профилем устанавливаются параллельно оси вращения, а вода течет перпендикулярно им. При любом направлении потока вся конструкция вращается в одну и ту же сторону, заданную профилем «крыла». Такие турбины уже давно применялись в ветроэнергетике, но для приливной оказались неэффективными. Разработанные в середине 1980-х годов в Канаде и Японии прототипы имели низкий КПД (около 40%), и в итоге идею забросили. Однако в российском НИИ энергетических сооружений в результате десятилетней работы смогли найти оптимальные очертания камеры и лопастей ортогональной турбины и подняли КПД до 60—70%. Это несколько меньше, чем дают осевые агрегаты, но зато новая конструкция почти вдвое легче, а простая конструкция позволяет изготавливать ортогональные турбины на любом механическом заводе – не только на специальном турбиностроительном. В 2004 году первый экспериментальный агрегат нового типа мощностью 200 киловатт установили на Кислогубской ПЭС вместо выработавшей свой ресурс осевой турбины. Но основные надежды разработчики связывают с будущими крупными проектами ПЭС, где применение ортогональных турбин сулит значительный экономический эффект. Запуском французской и советской ПЭС было положено начало приливной энергетике, но ждать продолжения пришлось долго. Следующая промышленная ПЭС открылась только в сентябре 1984 года. На этот раз на приливы польстилась Канада. Свою 20-мегаваттную станцию она построила в устье реки Аннаполис, на острове Хогс, где амплитуда приливов колеблется от 4,4 до 8,7 метра. Но наступивший период дешевой нефти на долгие два десятилетия сделал освоение энергии приливов нерентабельным.

Турбины морского течения

Активное использование сил морских течений началось только в начале нового тысячелетия. В сентябре 2003 года 300-киловаттная ПЭС была запущена в Норвегии . Представители соорудившей ее компании Hammerfest Stroem заявили, что, если установка себя оправдает, они готовы развернуть массовое строительство приливных станций. А чуть раньше, в июне того же года, опытную турбину мощностью 300 киловатт на Девонском побережье Великобритании установила компания Marine Current Turbines (MCT). Впрочем, Девонская ПЭС в корне отличается от своих предшественниц. Прежде всего тем, что у нее отсутствует плотина, а значит, нет и отгораживаемого ею приливного бассейна. В сущности это обычный «ветряк», только опущенный под воду. Этот способ получения приливной энергии еще в 1960-х годах предлагал использовать советский ученый – доктор технических наук Б.С. Блинов. Он называл такие гидроэлектростанции свободнопоточными, в отличие от классических плотинных (гравитационных). По расчетам, в такой электростанции двухлопастный пропеллер метрового диаметра при скорости течения 2 м/с (7 км/ч) может выдавать до 7 киловатт мощности. Агрегат MCT снабжен однонаправленным пропеллером диаметром 11 метров. Приливное течение вращает его со скоростью до 20 оборотов в минуту. Всесторонне протестировав свое детище, компания MCT в августе 2008 года поставила еще одну станцию мощностью 1,2 мегаватта у берегов Северной Ирландии, в зоне действия приливного течения залива Стрегфорд Лоу. Новая ПЭС получила название SeaGen («морской генератор»). Две ее турбины диаметром по 16 метров закреплены на горизонтальной балке, которая перемещается по подводной башне и может для ремонта поднимать турбины над водой. Со временем MCT планирует построить у побережья   Великобритании целую батарею таких установок и «выкачивать» не менее 10 гигаватт приливной энергии.

В проекте SeaGen норвежской компании MCT колонны закрепляются на дне, а роторы могут подниматься над водой для обслуживания. Для снижения нагрузок на конструкцию роторы вращаются в противоположные стороны. Фото: AFP/EAST NEWS

Конкуренция нарастает

В 2005 году другая британская компания SMD Hydrovision анонсировала новую технологию сбора энергии приливов TidEl. Она тоже не требует плотин и бассейнов. Конструкция, несущая роторы диаметром 15 метров, легче воды и нежестко крепится ко дну на глубине около 30 метров. Поток воды разворачивает турбину в нужную сторону, и, в отличие от конструкции MCT, она одинаково хорошо работает как во время прилива, так и при отливе. По расчетам конструкторов, батарея из 30—100 таких генераторов способна выдавать мощность до 100 мегаватт. Оригинальность проекта обеспечила TidEl победу в конкурсе экологических технологий на всемирной выставке World Expo – 2005. Однако дальше полутораметрового проектного образца, работающего в экспериментальном бассейне SMD Hydrovision, дело пока не пошло. Не менее интересную идею предложили недавно три оксфордских профессора – Гай Хоулсби, Малколм Маккаллок и Мартин Олдфилд. Свой проект они назвали THAWT – Transverse Horizontal Axis Water Turbine («поперечная водяная турбина с горизонтальной осью»). Он предполагает установку на дно горизонтальной барабанной конструкции с лезвиями-лопастями, которая подобно ортогональной турбине вращается в одну и ту же сторону на обеих фазах приливно-отливного цикла. В промышленном варианте ротор должен иметь 10 метров в диаметре и 60 метров в длину. Связка из двух барабанов и одного генератора между ними сможет выдавать до 12 мегаватт электроэнергии – в 10 раз больше, чем уже действующая установка SeaGen. При этом, по словам авторов проекта, их установка будет на 60% дешевле, а расходы по эксплуатации будут на 40% меньше. В 2009 году англичане обещают построить прототип своего агрегата с диаметром турбины 5 метров, а к 2013 году – запустить первую коммерческую установку. В мае этого года о своем желании оприходовать энергию приливов заявила Южная Корея . Корпорация KOWACO приступила к строительству приливной электростанции Sihva Lake Tidal Power Plant («приливная электростанция на озере Сихва»). Озеро Сихва, на котором ведется строительство, расположено в 40 километрах от Сеула . По сути это даже не озеро, а морской залив, отгороженный от Желтого моря дамбой. Приливы здесь достигают высоты 9 метров. Через 10 турбин станции, открыть которую планируют в конце 2009 года, за год будет проходить около 60 миллиардов тонн воды. Пиковая мощность ПЭС составит 254 мегаватта – чуть больше рекордного на сегодня французского первенца. За год станция будет вырабатывать более 500 миллионов киловатт-часов – достаточно, чтобы обеспечить расположенный рядом полумиллионный город Ансан. По расчетам, это позволит сэкономить около 850 000 баррелей нефти в год.

Элемент поплавковой волновой электростанции с магнитными катушками

Волны гасят ветер

Планетарная гидроэнергетика далеко не исчерпывается энергией рек и океанских приливов. Самую существенную и наименее используемую ее часть составляет энергия морских волн. По оценкам, они могут дать на порядок больше, чем приливы. Конечно, волны – лишь последствие деятельности ветров, но их энергия значительно «плотнее». Даже во время небольшого морского волнения с одного метра побережья можно «снять» около 10 киловатт мощности. А при сильном шторме, когда волны несколько раз в минуту поднимаются на 10—15 метров, мощность возрастает на два порядка. Теоретически до 85% этой энергии можно преобразовать в механическое движение. Основная часть энергии заключена в вертикальных колебаниях водяных масс. Простейшее решение: поплавок с тросом, который наматывается на пружинный барабан, установленный на дне. Поднимаясь на волне, поплавок крутит барабан, а обратно его поворачивает пружина. Остается поместить в барабан электрический генератор. Однако сильное волновое течение может сносить поплавки, пока трос не размотается до предела, из-за чего КПД подобной конструкции редко превышает 20%. Конструкторы из американской компании Pacific Northwest Generating Cooperative предложили другой подход. Внутри поплавка ставят магнитную катушку с магнитным сердечником, прикрепленным к заякоренному тросу. Любые колебания поплавка перемещает сердечник внутри катушки, вырабатывая электричество. Такую «поплавковую» электростанцию планируют построить в 8 километрах от побережья тихоокеанского городка Ридспорт. Каждый поплавок диаметром 4 метра и высотой 16 метров будет выдавать до 40 киловатт. Однако первая промышленная волновая электростанция, запущенная в сентябре 2008 года в Португалии, построена на другом принципе. Несколько горизонтальных поплавков сцеплены в одну длинную «змею». Она постоянно «ломается» на волнах, а генераторы в точках излома вырабатывают электроэнергию. Три таких «змеи», заякоренные шотландской компанией Pelamis Wave Power в 5 километрах от берега, сегодня выдают мощность более двух мегаватт. Этого хватает для того, чтобы обеспечить энергией 1600 домов.

Родная гигантомания

Но 254 мегаватта – это далеко не предел. В России еще в советские времена были полностью просчитаны куда более грандиозные проекты. Так, на Охотском море запланирована постройка Тугурской ПЭС мощностью 8 гигаватт. Энергию этой электростанции предполагается направлять в Юго-Восточную Азию . А на Белом море уже в этом году должны начаться подготовительные работы по строительству Мезенской ПЭС, где будут установлены 10-метровые ортогональные турбины суммарной мощностью 11 гигаватт. Площадь отсекаемого приливного бассейна составит 2640 км2 – в 120 раз больше, чем на Рансе! Для этого понадобится плотина протяженностью 53 километра, которая будет сооружаться уже описанным наплавным способом, в деталях отработанным при строительстве защитной дамбы Санкт-Петербурга . Несмотря на огромную стоимость проекта – около 12 миллиардов долларов – в расчете на киловатт установленной мощности, он получится в 1,5—2 раза дешевле, чем проектируемые сейчас Гилюйская и Средне-Учурская гидроэлектростанции. В мире есть еще ряд проектов сопоставимого масштаба. В Англии, на реке Северн, где высота прилива составляет 8 метров, планируется построить ПЭС мощностью 8,64 гигаватта с площадью бассейна 450 км2. Индия предполагает отгородить 1970 км2 в Камбейском заливе 7-метровыми приливами и получить мощность 7 гигаватт. Столько же приливной энергии намерена добывать Аргентина , которая присмотрела место для ПЭС в устье реки Уругвай близ города Сан-Хосе, где высота прилива достигает 6 метров. Но все эти планы кажутся детской забавой в сравнении с колоссальным российским проектом – Пенжинской ПЭС. Она спроектирована для района Пенжинской губы в Охотском море, где приливы достигают рекордных для Тихого океана 13 метров. При площади бассейна 20 500 км2 она могла бы выдавать 87 гигаватт мощности.